I ricercatori dell'Università di Houston hanno riportato la prima spiegazione di come una classe di materiali cambia durante la produzione per assorbire la luce in modo più efficiente, un passo fondamentale verso la produzione su larga scala di pannelli solari migliori e meno costosi.

Il lavoro, pubblicato questo mese come storia di copertina per Nanoscala , offre uno studio del meccanismo di come un film sottile di perovskite cambia la sua struttura microscopica dopo un leggero riscaldamento, disse Yan Yao, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e autore principale dell'articolo. Queste informazioni sono fondamentali per la progettazione di un processo produttivo in grado di produrre costantemente pannelli solari ad alta efficienza.

L'anno scorso Yao e altri ricercatori hanno identificato la struttura cristallina della fase intermedia non stechiometrica come l'elemento chiave per le celle solari a perovskite ad alta efficienza. Ma cosa è successo durante la successiva fase di ricottura termica è rimasto poco chiaro. Il lavoro è scienza fondamentale, Yao ha detto, ma fondamentale per l'elaborazione di celle solari più efficienti.

"Altrimenti, è come una scatola nera, " ha detto. "Sappiamo che alcune condizioni di lavorazione sono importanti, ma non sappiamo perché».

Altri ricercatori coinvolti nel progetto includono il primo autore Yaoguang Rong, in precedenza borsista post-dottorato presso la UH e ora professore associato presso la Huazhong University of Science and Technology in Cina; i borsisti postdottorato UH Swaminathan Venkatesan e Yanan Wang; Jiming Bao, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso UH; Rui Guo e Wenzhi Li della Florida International University, e Zhiyong Fan della Hong Kong University of Science and Technology.

Yao è anche un investigatore principale presso il Texas Center for Superconductivity all'UH, che ha finanziato l'opera.

Il lavoro ha anche suscitato una sorpresa:i materiali hanno mostrato un'efficienza di picco - la velocità con cui il materiale ha convertito la luce in elettricità - prima che la trasformazione della fase intermedia fosse completa, suggerendo un nuovo modo di produrre i film per garantire la massima efficienza. Yao ha affermato che i ricercatori si sarebbero aspettati la massima efficienza dopo che il materiale era stato convertito in film di perovskite al 100%. Anziché, hanno scoperto che i dispositivi solari più performanti erano quelli per i quali la conversione era stata interrotta al 18% della fase intermedia, prima della conversione completa.

"Abbiamo scoperto che la composizione della fase e la morfologia dei film di perovskite ingegnerizzati con solvente dipendono fortemente dalle condizioni di lavorazione e possono influenzare significativamente le prestazioni fotovoltaiche, " hanno scritto i ricercatori. "La forte dipendenza dalle condizioni di lavorazione è attribuita alla cinetica di scambio molecolare tra le molecole di alogenuro organico e il DMSO (dimetilsolfossido) coordinato nella fase intermedia".

I composti di perovskite sono comunemente costituiti da un materiale ibrido organico-inorganico a base di piombo o alogenuro di stagno e sono stati perseguiti come potenziali materiali per le celle solari per diversi anni. Yao ha affermato che i loro vantaggi includono il fatto che i materiali possono funzionare come film molto sottili - circa 300 nanometri, rispetto a 200-300 micrometri per i wafer di silicio, il materiale più comunemente usato per le celle solari. Le celle solari di perovskite possono anche essere prodotte mediante l'elaborazione di soluzioni a temperature inferiori a 150 gradi centigradi (circa 300 gradi Fahrenheit), rendendole relativamente poco costose da produrre.

Al loro meglio, le celle solari in perovskite hanno un tasso di efficienza di circa il 22%, leggermente inferiore a quello del silicio (25 per cento). Ma anche il costo delle celle solari al silicio sta calando drasticamente, e le cellule di perovskite sono instabili nell'aria, perdendo rapidamente efficienza. Di solito contengono anche piombo, una tossina.

Ancora, Yao ha detto, i materiali sono molto promettenti per l'industria solare, anche se è improbabile che sostituiscano completamente il silicio. Anziché, Egli ha detto, potrebbero essere usati insieme al silicio, aumentando l'efficienza al 30 percento circa.