La ricerca condotta dai fisici dell'Università del Texas a Dallas ha alterato la comprensione delle proprietà fondamentali dei cristalli di perovskite, una classe di materiali con un grande potenziale come celle solari ed emettitori di luce.

Pubblicato a luglio in Comunicazioni sulla natura , lo studio presenta prove che mettono in discussione i modelli esistenti del comportamento delle perovskiti a livello quantistico.

"La nostra migliore comprensione della fisica delle perovskiti aiuterà a determinare come vengono utilizzate al meglio, " ha detto il dottor Anton Malko, professore associato di fisica presso la Scuola di Scienze Naturali e Matematiche e corrispondente autore dell'articolo.

Il termine perovskite si riferisce in generale a minerali con la stessa struttura cristallina specifica del composto che originariamente portava il nome di perovskite:titanato di calcio.

"In ogni puro cristallo, gli atomi sono disposti in modo molto ordinato, " ha detto il dottor Riya Bose, associato di ricerca post-dottorato in fisica che ha preparato i campioni per lo studio. "Migliaia di materiali possono essere definiti come perovskiti per la loro particolare struttura. Alcuni tipi di questi sono ottimi candidati per celle solari o emettitori di luce".

La ricerca sulla perovskite è relativamente giovane, a cominciare dagli studi sul fotovoltaico pubblicati circa un decennio fa. A confronto, le celle solari al silicio sono state perfezionate per molti decenni.

"Celle solari al silicio, come quelli che puoi comprare ora, sono diventati più efficienti nel corso dei decenni, in forte aumento dopo gli anni Sessanta, " ha detto Malko. "L'efficienza di oggi è di circa il 20 per cento, " significa che un quinto dell'energia della luce incidente viene convertita in elettricità dalle celle solari.

Poiché le perovskiti sono un argomento di ricerca più recente, molto rimane sconosciuto sul motivo per cui si comportano come fanno.

"Ciò che è noto, però, è che le perovskiti superano già la massima efficienza raggiunta con il silicio, " ha detto Malko. "Sono anche facili da realizzare e sono molto economici rispetto al silicio".

Ciò che trattiene la perovskite è la sua instabilità; una cella solare in perovskite dovrebbe essere sostituita nel giro di poche settimane.

"Una cella solare che si degrada rapidamente sotto la luce del sole è chiaramente inutile, " ha detto Malko. "Una cella di silicio potrebbe durare 20 anni. Con perovskite, la durata della vita è misurata in centinaia di ore. Ma anche questo rappresenta un progresso dalle prime ricerche. Ora, siamo passati a lavorare con le perovskiti inorganiche, che dovrebbe prolungare quella vita."

Molti materiali con buoni tassi di assorbimento della luce sono anche bravi a riemettere quella luce. Il lavoro di Malko si è concentrato sul comportamento di emissione di luce delle perovskiti a livello di nanoparticelle.

"La resa quantica per alcune particelle di perovskite è quasi del 100%, il che significa che sono super luminosi, " ha detto. "Abbiamo deciso di trovare la fonte specifica di questa luminescenza."

Prima dello studio di Malko, il modello diffuso era quello all'interno delle perovskiti, come in molti altri semiconduttori, la luce è emessa dagli eccitoni:stati legati di cariche negative e positive, rispettivamente chiamati elettroni e lacune. Gli eccitoni possono spostarsi su grandi distanze all'interno del materiale.

Secondo questo modello, man mano che le dimensioni del materiale si restringono, gli eccitoni dovrebbero diventare più ristretti nel loro movimento, un processo chiamato confinamento quantistico. Ciò dovrebbe comportare cambiamenti nella lunghezza d'onda, o colore, di luce assorbita o emessa.

Utilizzando la spettroscopia a singola particella per osservare le nanoparticelle di perovskite, gli scienziati volevano sapere cosa stavano facendo i singoli eccitoni. Nel testare la saggezza convenzionale, l'hanno smentito.

"Abbiamo osservato che la luce di perovskite è notevolmente coerente, " ha detto Malko. "Nonostante l'esame di un'ampia gamma di taglie, da 9 a 30 nanometri, la lunghezza d'onda di emissione, il colore della luce, è rimasta invariata nei campioni di perovskite a base di cesio, " ha detto. "La luce emessa era di un verde specifico, indipendentemente dalle dimensioni del materiale osservato".

Che Malko, Bose e i loro colleghi hanno scoperto, sia nelle perovskiti che possiedono reticoli cristallini tridimensionali interni che in quelli a dimensione zero, che l'emissione di luce a livello di singola nanoparticella sembrava più simile alla luce dell'individuo, eccitazioni molecolari fortemente localizzate piuttosto che da elettroni mobili e lacune. Scavando ulteriormente, i ricercatori hanno determinato che la fonte della luce emessa era strettamente legata ai siti liberi dell'atomo di bromuro all'interno delle perovskiti.

"Questi risultati contraddicono il modello di confinamento quantistico, il che implicherebbe che la fonte di luminescenza in queste perovskiti provenga da eccitoni delocalizzati su nanoparticelle, " Disse Malko. "Le perovskiti di qualsiasi dimensione dimostreranno questo comportamento".

Inoltre, in un caso di confinamento quantistico, l'esposizione a luce più intensa creerebbe più eccitoni con comportamento e proprietà emissive differenti. Nelle nanoparticelle di perovskite a base di cesio, però, l'output di fotoni potenziato è stato caratterizzato da parametri di emissione simili.

"Questo è drammaticamente diverso dalle precedenti opinioni della comunità, " ha detto Malko. "Il preconcetto prevalente che coinvolge il confinamento quantistico è stato difficile da spostare".

Malko ha descritto la ricerca come un importante passo avanti nella comprensione delle proprietà di emissione dei materiali di perovskite. Ancora, una serie di problemi devono essere risolti prima della loro attuazione pratica, soprattutto, il problema della longevità.

"Se qualcuno trova un modo per far durare la perovskite per diversi anni, Prevedo che ci saranno dozzine di aziende che produrranno celle solari in perovskite e dispositivi a emissione di luce, " Egli ha detto.