Utilizzando la spettroscopia laser in un esperimento di fotofisica, I ricercatori della Clemson University hanno aperto nuove strade che potrebbero tradursi in un'energia più rapida ed economica per alimentare l'elettronica.

Questo nuovo approccio, utilizzando perovskite trattata in soluzione, ha lo scopo di rivoluzionare una varietà di oggetti di uso quotidiano come le celle solari, LED, fotorilevatori per smartphone e chip per computer. La perovskite trattata in soluzione è il materiale di nuova generazione per i pannelli a celle solari sui tetti, Rivelatori di raggi X per la diagnosi medica, e LED per l'illuminazione della vita quotidiana.

Il team di ricerca comprendeva una coppia di studenti laureati e uno studente universitario guidati da Jianbo Gao, capogruppo del gruppo di Ultrafast Photophysics of Quantum Devices (UPQD) presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Science.

La ricerca collaborativa è stata pubblicata il 12 marzo sulla rivista ad alto impatto Comunicazioni sulla natura. L'articolo è intitolato "Osservazione in situ di vettori intrappolati in film di perovskite ad alogenuri metallici organici con risoluzioni temporali ed energetiche ultrarapide".

L'investigatore principale era Gao, che è un assistente professore di fisica della materia condensata. I coautori includevano gli studenti laureati Kanishka Kobbekaduwa (primo autore) e Pan Adhikari del gruppo UPQD, così come lo studente universitario Lawrence Coleman, un anziano nel dipartimento di fisica.

Altri autori di Clemson furono Apparao Rao, la R.A. Bowen Professore di Fisica, e Exian Liu, uno studente in visita dalla Cina che lavora sotto Gao.

"I materiali perovskite sono progettati per applicazioni ottiche come celle solari e LED, " disse Kobbekaduwa, uno studente laureato e primo autore dell'articolo di ricerca. "È importante perché è molto più facile da sintetizzare rispetto alle attuali celle solari a base di silicio. Questo può essere fatto mediante l'elaborazione della soluzione, mentre nel silicio, devi avere metodi diversi che sono più costosi e richiedono tempo."

L'obiettivo della ricerca è realizzare materiali più efficienti, più economico e più facile da produrre.

Il metodo unico utilizzato dal team di Gao, che utilizza la spettroscopia fotocorrente ultraveloce, ha consentito una risoluzione temporale molto più elevata rispetto alla maggior parte dei metodi, per definire la fisica dei vettori intrappolati. Qui, lo sforzo è misurato in picosecondi, che sono un trilionesimo di secondo.

"Produciamo dispositivi utilizzando questo materiale (perovskite) e usiamo un laser per illuminarlo ed eccitare gli elettroni all'interno del materiale, " disse Kobbekaduwa. "E poi usando un campo elettrico esterno, generiamo una fotocorrente. Misurando quella fotocorrente, possiamo effettivamente dire alle persone le caratteristiche di questo materiale. Nel nostro caso, abbiamo definito gli stati intrappolati, che sono difetti nel materiale che influenzeranno la corrente che otteniamo."

Una volta definita la fisica, i ricercatori possono identificare i difetti, che alla fine creano inefficienza nei materiali. Quando i difetti sono ridotti o passivati, ciò può comportare una maggiore efficienza, che è fondamentale per le celle solari e altri dispositivi.

Poiché i materiali vengono creati attraverso processi di soluzione come la verniciatura a rotazione o la stampa a getto d'inchiostro, la probabilità di introdurre difetti aumenta. Questi processi a bassa temperatura sono più economici dei metodi ad altissima temperatura che danno come risultato un materiale puro. Ma il compromesso è più difetti nel materiale. Trovare un equilibrio tra le due tecniche può significare dispositivi di qualità superiore e più efficienti a costi inferiori.

I campioni di substrato sono stati testati sparando un laser al materiale per determinare come il segnale si propaga attraverso di esso. L'utilizzo di un laser per illuminare i campioni e raccogliere la corrente ha reso possibile il lavoro e lo ha differenziato da altri esperimenti che non utilizzano l'uso di un campo elettrico.

"Analizzando quella corrente, siamo in grado di vedere come si sono mossi gli elettroni e come escono da un difetto, " ha affermato Adhikari del gruppo UPQD. "È possibile solo perché la nostra tecnica prevede una scala temporale ultraveloce e dispositivi in ​​situ sotto un campo elettrico. Una volta che l'elettrone cade nel difetto, chi sperimenta usando altre tecniche non può eliminarlo. Ma possiamo eliminarlo perché abbiamo il campo elettrico. Gli elettroni hanno carica sotto il campo elettrico, e possono spostarsi da un luogo all'altro. Siamo in grado di analizzare il loro trasporto da un punto all'altro all'interno del materiale."

Quel trasporto e l'effetto dei difetti dei materiali su di esso possono influire sulle prestazioni di tali materiali e dei dispositivi in ​​cui vengono utilizzati. Fa tutto parte delle importanti scoperte che gli studenti stanno facendo sotto la guida del loro mentore, creando increspature che porteranno alla prossima grande svolta.

"Gli studenti non stanno solo imparando; stanno effettivamente facendo il lavoro, " Gao ha detto. "Sono fortunato ad avere studenti di talento che, se ispirati da sfide e idee, diventeranno ricercatori influenti. Tutto questo fa parte delle importanti scoperte che gli studenti stanno facendo sotto la guida dei loro mentori, creando increspature che porteranno alla prossima grande svolta. Siamo anche molto grati per le forti collaborazioni con Shreetu Shrestha e Wanyi Nie, che sono i migliori scienziati dei materiali del Los Alamos National Laboratory."