I polaroni sono distorsioni fugaci nel reticolo atomico di un materiale che si formano attorno a un elettrone in movimento in pochi trilionesimi di secondo, poi scomparire rapidamente. Per quanto effimere siano, influenzano il comportamento di un materiale, e potrebbe anche essere la ragione per cui le celle solari realizzate con perovskiti ibride al piombo raggiungono efficienze straordinariamente elevate in laboratorio.

Ora gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno utilizzato per la prima volta il laser a raggi X del laboratorio per osservare e misurare direttamente la formazione di polaroni. Hanno riportato i loro risultati in Materiali della natura oggi.

"Questi materiali hanno preso d'assalto il campo della ricerca sull'energia solare grazie alla loro elevata efficienza e al basso costo, ma le persone discutono ancora sul perché lavorano, " ha detto Aaron Lindenberg, un ricercatore con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) allo SLAC e professore associato a Stanford che ha guidato la ricerca.

"L'idea che i polaroni possano essere coinvolti è in circolazione da diversi anni, " ha detto. "Ma i nostri esperimenti sono i primi ad osservare direttamente la formazione di queste distorsioni locali, compresa la loro dimensione, forma e come si evolvono."

Eccitante, complesso e difficile da capire

Le perovskiti sono materiali cristallini che prendono il nome dal minerale perovskite, che ha una struttura atomica simile. Gli scienziati hanno iniziato a incorporarli nelle celle solari circa un decennio fa, e l'efficienza di quelle celle nel convertire la luce solare in energia è costantemente aumentata, nonostante il fatto che i loro componenti in perovskite abbiano molti difetti che dovrebbero inibire il flusso di corrente.

Questi materiali sono notoriamente complessi e difficili da capire, ha detto Lindenberg. Mentre gli scienziati li trovano eccitanti perché sono sia efficienti che facili da realizzare, aumentando la possibilità di rendere le celle solari più economiche delle odierne celle al silicio, sono anche molto instabili, si rompono se esposti all'aria e contengono piombo che deve essere tenuto fuori dall'ambiente.

Precedenti studi allo SLAC hanno approfondito la natura delle perovskiti con una "camera elettronica" o con fasci di raggi X. Tra l'altro, hanno rivelato che la luce fa ruotare gli atomi nelle perovskiti, e hanno anche misurato la vita dei fononi acustici, le onde sonore, che trasportano il calore attraverso i materiali.

Per questo studio, Il team di Lindenberg ha utilizzato la Linac Coherent Light Source (LCLS) del laboratorio, un potente laser a raggi X a elettroni liberi in grado di visualizzare i materiali con dettagli quasi atomici e catturare i movimenti atomici che si verificano in milionesimi di miliardesimo di secondo. Hanno esaminato i singoli cristalli del materiale sintetizzato dal gruppo del Professore Associato Hemamala Karunadasa a Stanford.

Hanno colpito un piccolo campione del materiale con la luce di un laser ottico e poi hanno usato il laser a raggi X per osservare come il materiale ha risposto nel corso di decine di trilionesimi di secondo.

Bolle di distorsione in espansione

"Quando metti una carica in un materiale colpendolo con la luce, come quello che succede in una cella solare, gli elettroni vengono liberati, e quegli elettroni liberi iniziano a muoversi intorno al materiale, " disse Burak Guzelturk, uno scienziato dell'Argonne National Laboratory del DOE che era un ricercatore post-dottorato a Stanford al momento degli esperimenti.

"Presto sono circondati e inghiottiti da una sorta di bolla di distorsione locale, il polarone, che viaggia insieme a loro, " ha detto. "Alcune persone hanno sostenuto che questa "bolla" protegge gli elettroni dalla dispersione dei difetti nel materiale, e aiuta a spiegare perché viaggiano in modo così efficiente al contatto della cella solare per fluire come elettricità."

La struttura reticolare ibrida di perovskite è flessibile e morbida, come "una strana combinazione di un solido e di un liquido allo stesso tempo, " come dice Lindenberg, e questo è ciò che permette ai polaroni di formarsi e crescere.

Le loro osservazioni hanno rivelato che le distorsioni polaroniche iniziano molto piccole, sulla scala di pochi angstrom, sulla distanza tra gli atomi in un solido e si espandono rapidamente verso l'esterno in tutte le direzioni fino a un diametro di circa 5 miliardesimi di metro, che è un aumento di circa 50 volte. Questo spinge circa 10 strati di atomi leggermente verso l'esterno all'interno di un'area approssimativamente sferica nel corso di decine di picosecondi, o trilionesimi di secondo.

"Questa distorsione è in realtà abbastanza grande, qualcosa che non sapevamo prima, "Ha detto Lindenberg. "Questo è qualcosa di totalmente inaspettato."

Ha aggiunto, "Anche se questo esperimento mostra nel modo più diretto possibile che questi oggetti esistono davvero, non mostra come contribuiscono all'efficienza di una cella solare. C'è ancora del lavoro da fare per capire come questi processi influenzino le proprietà di questi materiali".