Uno sguardo più da vicino ai materiali che compongono le celle solari convenzionali rivela una disposizione quasi rigida di atomi con poco movimento. Ma nelle perovskiti ibride, una promettente classe di materiali per celle solari, gli arrangiamenti sono più flessibili e gli atomi danzano selvaggiamente intorno, un effetto che ha un impatto sulle prestazioni delle celle solari ma è stato difficile da misurare.

In un articolo pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , un team internazionale di ricercatori guidati dallo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha sviluppato una nuova comprensione di quelle danze selvagge e di come influenzano il funzionamento dei materiali di perovskite. I risultati potrebbero spiegare perché le celle solari in perovskite sono così efficienti e aiutare la ricerca per progettare celle solari portatrici di calore, una tecnologia teorizzata che raddoppierebbe quasi i limiti di efficienza delle celle solari convenzionali convertendo più luce solare in energia elettrica utilizzabile.

Pezzo del puzzle

celle solari perovskite, che può essere prodotto a temperatura ambiente, offrono un'alternativa meno costosa e potenzialmente più performante ai materiali convenzionali delle celle solari come il silicio, che devono essere fabbricati a temperature estremamente elevate per eliminare i difetti. Ma la mancanza di comprensione di ciò che rende i materiali perovskite così efficienti nel convertire la luce solare in elettricità è stato un grosso ostacolo alla produzione di celle solari a perovskite con efficienza ancora maggiore.

"È stato davvero solo negli ultimi cinque o sei anni che le persone hanno sviluppato questo intenso interesse per i materiali di perovskite solare, "dice Mike Toney, un distinto scienziato dello staff della Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) dello SLAC che ha guidato lo studio. "Come conseguenza, mancano molte delle conoscenze fondamentali su ciò che fa funzionare i materiali. In questa ricerca, abbiamo fornito un pezzo importante di questo puzzle mostrando ciò che li distingue dai materiali delle celle solari più convenzionali. Questo ci fornisce basi scientifiche che ci permetteranno di iniziare a progettare questi materiali in modo razionale".

Mantenerlo caldo

Quando la luce del sole colpisce una cella solare, parte dell'energia può essere utilizzata per calciare gli elettroni nel materiale fino a stati energetici più elevati. Questi elettroni ad alta energia vengono incanalati fuori dal materiale, produrre energia elettrica.

Ma prima che questo accada, la maggior parte dell'energia solare viene dispersa in calore con una parte anche persa durante l'estrazione di energia utilizzabile oa causa di un'inefficiente raccolta della luce. In molte celle solari convenzionali, come quelli realizzati con il silicone, fononi acustici – una sorta di onda sonora che si propaga attraverso il materiale – sono il modo principale in cui questo calore viene trasportato attraverso il materiale. L'energia persa dall'elettrone sotto forma di calore limita l'efficienza della cella solare.

In questo studio, teorici del Regno Unito, guidato dal professor Aron Walsh dell'Imperial College e dai teorici della struttura elettronica Jonathan Skelton e Jarvist Frost, fornito un quadro teorico per interpretare i risultati sperimentali. Hanno predetto che i fononi acustici che viaggiano attraverso le perovskiti avrebbero una vita breve come risultato delle disposizioni flessibili di atomi e molecole danzanti nel materiale.

I chimici di Stanford Hema Karunadasa e Ian Smith sono stati in grado di coltivare il grande, cristalli singoli specializzati che erano essenziali per questo lavoro. Con l'aiuto di Peter Gehring, un fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni, il team ha sparso neutroni da questi singoli cristalli di perovskite in un modo che ha permesso loro di ripercorrere il movimento degli atomi e delle molecole all'interno del materiale. Ciò ha permesso loro di misurare con precisione la durata dei fononi acustici.

Il team di ricerca ha scoperto che nelle perovskiti, i fononi acustici hanno una vita incredibilmente breve, sopravvivendo solo da 10 a 20 trilionesimi di secondo. Senza questi fononi che trasportano calore attraverso il materiale, gli elettroni potrebbero rimanere caldi e trattenere la loro energia mentre vengono estratti dal materiale. Sfruttare questo effetto potrebbe potenzialmente portare a celle solari hot-carrier con efficienze che sono quasi il doppio delle celle solari convenzionali.

Inoltre, questo fenomeno potrebbe spiegare come le celle solari in perovskite funzionino così bene nonostante il materiale sia pieno di difetti che intrappolano gli elettroni e smorzano le prestazioni in altri materiali.

"Dal momento che i fononi nelle perovskiti non viaggiano molto lontano, finiscono per riscaldare l'area che circonda gli elettroni, che potrebbe fornire la spinta di cui gli elettroni hanno bisogno per sfuggire alle trappole e continuare per la loro allegra strada, " dice Toni.

Trasformare la produzione di energia

Per dare seguito a questo studio, i ricercatori del Center for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) Energy Frontier Research Center guidato dal National Renewable Energy Laboratory del DOE studieranno questo fenomeno in materiali perovskite più complicati che si sono dimostrati più efficienti nei dispositivi energetici. Vorrebbero capire come la modifica della composizione chimica del materiale influenzi la durata dei fononi acustici.

"Dobbiamo trasformare radicalmente il nostro sistema energetico il più rapidamente possibile, "dice Aryeh Gold-Parker, che ha co-diretto lo studio come Ph.D. studente alla Stanford University e SLAC. "Mentre ci muoviamo verso un futuro a basse emissioni di carbonio, un pezzo molto importante è avere celle solari economiche ed efficienti. La speranza nelle perovskiti è che portino a pannelli solari commerciali più efficienti ed economici di quelli oggi sul mercato".