Gli scienziati dell'Università di Cambridge che studiano materiali in perovskite per celle solari di prossima generazione e LED flessibili hanno scoperto che possono essere più efficienti quando le loro composizioni chimiche sono meno ordinate, semplificando notevolmente i processi di produzione e abbassando i costi.

Le scoperte sorprendenti, pubblicato in Fotonica della natura , sono il risultato di un progetto collaborativo, guidato dal Dr. Felix Deschler e dal Dr. Sam Stranks.

Il materiale più comunemente utilizzato per la produzione di pannelli solari è il silicio cristallino, ma per ottenere una conversione energetica efficiente è necessario un processo di produzione costoso e dispendioso in termini di tempo. Il materiale di silicio deve avere una struttura di wafer altamente ordinata ed è molto sensibile a eventuali impurità, come polvere, quindi deve essere fatto in una stanza pulita.

Nell'ultima decade, i materiali perovskite sono emersi come alternative promettenti.

I sali di piombo utilizzati per realizzarli sono molto più abbondanti ed economici da produrre rispetto al silicio cristallino, e possono essere preparati in un inchiostro liquido che viene semplicemente stampato per produrre un film del materiale.

I componenti utilizzati per realizzare la perovskite possono essere modificati per conferire ai materiali diversi colori e proprietà strutturali, ad esempio facendo sì che le pellicole emettano colori diversi o raccolgano la luce solare in modo più efficiente.

Hai solo bisogno di un film molto sottile di questo materiale perovskite, circa mille volte più sottile di un capello umano, per ottenere efficienze simili ai wafer di silicio attualmente utilizzati, aprendo la possibilità di incorporarli in finestre o flessibili, schermi ultraleggeri per smartphone.

"Questa è la nuova classe di semiconduttori che potrebbe effettivamente rivoluzionare tutte queste tecnologie, " ha detto Sascha Feldmann, un dottorato di ricerca studente al Cavendish Laboratory di Cambridge.

"Questi materiali mostrano un'emissione molto efficiente quando li ecciti con fonti di energia come la luce, o applicare una tensione per far funzionare un LED.

"Questo è davvero utile, ma non è ancora chiaro il motivo per cui questi materiali che elaboriamo nei nostri laboratori in modo così grossolano rispetto a queste camere bianche, wafer di silicio di elevata purezza, stanno andando così bene".

Gli scienziati avevano supposto che, come con i materiali siliconici, più ordinati potevano fare i materiali, più efficienti sarebbero. Ma Feldmann e il suo co-autore Stuart MacPherson sono rimasti sorpresi di scoprire che era vero il contrario.

"La scoperta è stata davvero una grande sorpresa, " disse Deschler, che ora guida un gruppo di ricerca Emmy-Noether alla TU Munich. "Facciamo molta spettroscopia per esplorare i meccanismi di funzionamento dei nostri materiali, e ci siamo chiesti perché questi film chimicamente disordinati si comportassero così eccezionalmente bene".

"È stato affascinante vedere quanta luce potevamo ottenere da questi materiali in uno scenario in cui ci saremmo aspettati che fossero piuttosto scuri, "ha detto Mac Pherson, un dottorato di ricerca studente del Laboratorio Cavendish. "Forse non dovremmo stupirci considerando che le perovskiti hanno riscritto il libro delle regole sulle prestazioni in presenza di difetti e disordine".

I ricercatori hanno scoperto che la loro ruvida, le preparazioni in lega multicomponente stavano effettivamente migliorando l'efficienza dei materiali creando molte aree con composizioni diverse che potevano intrappolare i portatori di carica energizzati, sia dalla luce solare in una cella solare, o una corrente elettrica in un LED.

"In realtà è a causa di questa lavorazione grezza e della successiva smiscelazione dei componenti chimici che si creano queste valli e montagne in energia che le cariche possono incanalare e concentrarsi, " ha detto Feldmann. "Questo li rende più facili da estrarre per la tua cella solare, ed è più efficiente produrre luce da questi punti caldi in un LED."

Le loro scoperte potrebbero avere un enorme impatto sul successo produttivo di questi materiali.

"Le aziende che cercano di realizzare linee di fabbricazione più grandi per la perovskite hanno cercato di risolvere il problema di come rendere i film più omogenei, ma ora possiamo mostrare loro che in realtà un semplice processo di stampa a getto d'inchiostro potrebbe fare un lavoro migliore, ", ha detto Feldmann.

"La bellezza dello studio sta proprio nella scoperta controintuitiva che facile da fare non significa che il materiale sarà peggiore, ma può effettivamente essere migliore."

"Ora è una sfida entusiasmante trovare condizioni di fabbricazione che creino il disordine ottimale nei materiali per ottenere la massima efficienza, pur mantenendo le proprietà strutturali necessarie per applicazioni specifiche, " disse Deschler.

"Se possiamo imparare a controllare il disturbo in modo ancora più preciso, potremmo aspettarci ulteriori miglioramenti delle prestazioni dei LED o delle celle solari e persino spingerci ben oltre il silicio con celle solari tandem su misura che comprendono due strati di perovskite di colore diverso che insieme possono raccogliere ancora più energia dal sole di un solo strato, " ha detto il dottor Sam Stranks, Docente universitario di Energia presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biotecnologia di Cambridge e il Cavendish Laboratory.

Un'altra limitazione dei materiali perovskite è la loro sensibilità all'umidità, quindi i gruppi stanno anche studiando modi per migliorare la loro stabilità.

"C'è ancora del lavoro da fare per farli durare sui tetti come può fare il silicio, ma sono ottimista, "disse Strani.