Le perovskiti ad alogenuri organici o inorganici ibridi sono una classe unica di materiali per celle solari che infrangono alcune delle regole di progettazione dei materiali in vigore da oltre 30 anni. Ad esempio, possono raggiungere prestazioni straordinariamente elevate, pur essendo ricco di difetti e disordinato su scala macroscopica.

Questa qualità disordinata è in netto contrasto con i semiconduttori inorganici più tradizionali che sono attualmente utilizzati per fabbricare l'elettronica. Inoltre, la loro morfologia rende molto più difficile quantificare i parametri di trasporto spaziale che sono essenziali per ottimizzare le strutture dei dispositivi.

Le prestazioni dei dispositivi a semiconduttore sono fondamentalmente governate dalla dinamica dei portatori di carica all'interno dei materiali. Mentre molti ricercatori hanno cercato di ottenere una migliore comprensione di queste dinamiche, molte domande rimangono senza risposta.

Ad esempio, il trasporto balistico di portatori di carica (ad es. elettroni) attraverso questi materiali, noto anche come propagazione balistica, Finora si pensava che non svolgesse alcun ruolo rilevante nel consentire il funzionamento del fotovoltaico (PV) e dei diodi emettitori di luce. Questo perché questa propagazione viene rapidamente interrotta dopo che i vettori sono stati generati, attraverso un processo noto come scattering.

Un team di ricercatori dell'Università di Cambridge e dell'Università di Oxford ha recentemente condotto uno studio volto a scoprire di più sulla dinamica dei portatori di carica nei materiali di perovskite. Il loro studio, pubblicato in Fisica della natura , ha studiato in modo specifico la dinamica spaziotemporale dei portatori immediatamente dopo che i fotoni sono stati assorbiti dai film di perovskite di ioduro di piombo metilammonio.

"Interessante, i materiali ibridi organici-inorganici di perovskiti ad alogenuri mostrano anche ricche dinamiche ultraveloci su una scala temporale inferiore a 200 fs, che è rimasta in gran parte inesplorata fino ad ora, " hanno detto i ricercatori a Phys.org, Via Posta Elettronica. "Abbiamo quindi cercato una sonda diretta per visualizzare il comportamento di trasporto del portatore di carica fotoindotto in questi materiali sulla scala temporale dei femtosecondi accoppiato con una precisione spaziale nanometrica".

Per studiare le dinamiche spazio-temporali dei portatori in film di perovskite di ioduro di piombo metilammonio, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio ottico a risoluzione temporale con estrema risoluzione temporale e precisione spaziale nanometrica. Hanno usato un fascio di pompa altamente confinato nello spazio dell'ordine di 200 nm per eccitare il materiale, che ha portato alla generazione di elettroni eccitati solo all'interno di una piccola area del loro campione.

"Erogando un raggio della sonda focalizzato in modo lasco sul materiale e variando il ritardo rispetto al raggio della pompa, è possibile registrare la dinamica spaziale della distribuzione degli elettroni fotogenerati, " hanno spiegato i ricercatori. "Poiché stiamo confrontando i cambiamenti nella distribuzione nel tempo, la precisione spaziale non è limitata dal limite di diffrazione ottica ma dalla precisione di misura."

La precisione spaziale raggiunta dal loro microscopio ottico ha permesso ai ricercatori di distinguere le dinamiche su scale di lunghezza fino a dieci nanometri all'interno del materiale. Utilizzando questa tecnica di microscopia ottica risolta nel tempo, i ricercatori potrebbero visualizzare direttamente il movimento degli elettroni, anche entro poche decine di femtosecondi.

Il loro studio ha raccolto i primi dati di imaging che mostrano chiaramente il funzionamento dei materiali perovskite direttamente dopo l'assorbimento dei fotoni. Hanno scoperto che subito dopo l'assorbimento dei fotoni, gli elettroni in questi materiali si muovono estremamente rapidamente su una distanza senza precedenti.

"Dopo aver registrato il filmato degli elettroni fotoeccitati, abbiamo quantificato la larghezza della distribuzione degli elettroni ad ogni istantanea e registrato lo spostamento quadratico medio, " hanno detto i ricercatori. "Questa analisi fornisce la mobilità degli elettroni".

I ricercatori hanno osservato che gli elettroni si muovevano a una velocità di 5 × 10 ⁶ SM ^-1 oltre 150 nm, che è quasi l'1% della velocità della luce oltre i 150 nm. Questa enorme velocità implica che negli alogenuri perovskiti gli elettroni si muovono in modo ondulatorio, come descritto dalle teorie della meccanica quantistica che predicono la dualità onda-particella.

"Questo è un risultato molto sorprendente, poiché è stato a lungo ipotizzato che il comportamento quantomeccanico degli elettroni si scompone molto rapidamente nelle celle solari e lascia il posto a un comportamento "classico", " hanno detto i ricercatori.

Le osservazioni potrebbero avere importanti implicazioni per lo sviluppo di nuove tecnologie, poiché alla fine richiedono una rivalutazione delle teorie attuali su come funzionano le celle solari, sia quelli fatti di perovskiti che quelli fabbricati usando altri semiconduttori inorganici. Infatti, contrariamente alla maggior parte degli studi precedenti, questi risultati suggeriscono che il comportamento quantistico è presente nella maggior parte delle celle solari funzionanti.

"Ora che abbiamo scoperto questo regime di trasporto senza precedenti, inizieremo a esaminare altri materiali per vedere se esiste una regola di progettazione universale che detta l'aspetto del trasporto balistico, " hanno detto i ricercatori. "Se possiamo stabilire una connessione così universale, potrebbe rivelarsi trasformativo nel modo in cui pensiamo alla progettazione di celle solari in futuro".

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