Le celle solari con efficienze superiori al 20% e prodotte a basso costo:le perovskiti lo rendono possibile. Ora, i ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno acquisito informazioni fondamentali sulla funzione delle celle solari in perovskite. Hanno scoperto che gli stati legati delle coppie elettrone-lacuna possono formarsi durante l'assorbimento della luce. Ancora, queste coppie possono essere separate facilmente per il flusso di corrente. Inoltre, migliorano l'assorbimento. Il lavoro degli scienziati è riportato sulla rivista Lettere di fisica applicata .

Le perovskiti sono tra i materiali più promettenti per le celle solari:quando le si utilizza, l'alta efficienza può essere combinata con la produzione a basso costo. La ricerca sul fotovoltaico si concentra sulle perovskiti ad alogenuri che contengono composti sia organici che inorganici e, quindi, sono considerati semiconduttori ibridi. "In meno di un decennio, queste perovskiti hanno subito uno sviluppo eccezionale. Nel frattempo, le celle solari in perovskite convertono più del 20% della luce incidente direttamente in corrente utilizzabile, " afferma l'esperto di fotovoltaico Dr. Michael Hetterich di KIT, che coordina la collaborazione tra KIT e il Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg (ZSW). Il vasto potenziale delle perovskiti è evidente anche dalle celle solari tandem che combinano una cella superiore in perovskite semitrasparente con una cella inferiore in silicio o rame-indio-gallio-diseleniuro (CIGS). Ciò consente un utilizzo ottimale dello spettro solare.

Le attuali sfide della ricerca consistono nel migliorare la stabilità a lungo termine delle celle solari in perovskite e nel sostituire il piombo che contengono con elementi più compatibili con l'ambiente. Ciò richiede una visione approfondita della struttura e della funzione degli strati di perovskite. Ricercatori dell'Istituto di fisica applicata e del Light Technology Institute di KIT, nonché di ZSW e Ludwig-Maximilians-Universität München studiano la funzione di celle solari tandem a strato sottile basate su perovskiti nell'ambito del CISOVSKIT (sviluppo di celle solari ibride ad alta efficienza da CIGS e materiali perovskite) progetto finanziato dal Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF). E hanno ottenuto nuove scoperte relative alla natura fisica delle transizioni ottiche. Questo è riportato in un "Articolo in primo piano" di Lettere di fisica applicata .

Le transizioni ottiche sono cambiamenti dello stato energetico degli elettroni in un materiale mediante emissione (rilascio) o assorbimento (assorbimento) di fotoni, cioè particelle leggere. Nella sua tesi di dottorato, Fabiano Ruf, che lavora nel gruppo del professor Heinz Kalt, KIT, sottolinea che la transizione ottica fondamentale nelle celle solari con un assorbitore di ioduro di piombo metil ammonio, la classica perovskite ad alogenuri, è di natura eccitonica. Ciò significa che gli eccitoni possono formarsi nelle celle solari dopo l'assorbimento di particelle luminose. Gli eccitoni sono coppie elettrone-lacuna legate che determinano in gran parte le proprietà optoelettroniche. L'energia di legame degli eccitoni deve essere superata per ottenere portatori di carica liberi e far fluire la corrente.

Mediante spettroscopia di elettroassorbimento dipendente dalla temperatura, Fabian Ruf ha studiato celle solari semitrasparenti con assorbitori di ioduro di piombo e metil ammonio prodotte da Moritz Schultes di ZSW con un metodo di chimica umida. I risultati consentono di trarre conclusioni rispetto alle transizioni eccitoniche nell'intero intervallo di temperatura studiato, da 10 Kelvin (-263°C) a temperatura ambiente. A seconda della struttura cristallina della perovskite che cambia al variare della temperatura, l'energia di legame degli eccitoni ammonta a circa 26 e 19 millielettronvolt, rispettivamente. "Quindi, l'energia di legame è sufficientemente piccola da garantire una separazione termica sufficiente dei portatori di carica a temperatura ambiente, " spiega Michael Hetterich. "Inoltre, gli effetti eccitonici migliorano l'assorbimento. Entrambi gli effetti insieme consentono un funzionamento efficiente della cella solare in perovskite".