Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Zhao Jin del Dipartimento di Fisica, L'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze ha trovato fononi reticolari a bassa frequenza nelle perovskiti ad alogenuri con conseguente elevata tolleranza ai difetti verso la ricombinazione elettrone-lacuna con il loro software sviluppato in modo indipendente, Hefei-NAMD. Lo studio pubblicato su Progressi scientifici .

Le celle solari sono state ampiamente utilizzate in vari mezzi di sussistenza o applicazioni industriali, mentre l'efficienza e la durata dei semiconduttori a energia solare continuano a molestare i produttori. I difetti nei materiali semiconduttori formano centri di ricombinazione elettrone-lacuna (e-h) dannosi per l'efficienza di conversione solare. Questo è un importante problema scientifico in questo campo.

Già negli anni Cinquanta, gli scienziati Shockley, Read e Hall hanno proposto il famoso modello Shockley-Read-Hall (SRH) attraverso il quale gli stati di difetto nel band gap formano centri di ricombinazione e-h. E per decenni, il modello astratto è stato adattato da molti scienziati nel campo dei semiconduttori. Però, non tiene conto dell'accoppiamento elettrone-fonone che è la chiave per la ricombinazione di e-h mediante processi non radiativi.

In questo studio, i ricercatori hanno studiato i processi di ricombinazione e-h dovuti a difetti puntiformi nativi nell'alogenuro di piombo di metilammonio (MAPbI ₃ ) perovskiti utilizzando ab initio dinamiche molecolari non adiabatiche e tenendo conto proprio di fattori come le interazioni elettrone-fonone, livelli di energia, velocità nucleare, effetti di decoerenza e concentrazione di portatori. Hanno scoperto che la ricombinazione di carica in MAPbI ₃ non è stato potenziato indipendentemente dal fatto che i difetti introducano uno stato di banda superficiale o profondo, il che significava che la teoria di SRH era decaduta.

Pur analizzando quantitativamente l'accoppiamento elettrone-fonone, hanno dimostrato che i portatori fotogenerati sono accoppiati solo con fononi a bassa frequenza e gli stati di elettroni e lacune si sovrappongono debolmente, che ha spiegato perché MAPbI ₃ mostra ancora un'elevata efficienza di conversione solare con molti difetti.

Questi risultati sono significativi nella progettazione futura di materiali semiconduttori funzionali per la conversione dell'energia solare.