La stabilità di un materiale molto efficiente ed economico per le celle solari è stata ora migliorata fino a due ordini di grandezza. Le manipolazioni materiali che hanno permesso questo miglioramento sono state sviluppate in un progetto sostenuto dall'Austrian Science Fund FWF – e il loro "segreto" è stato recentemente pubblicato su Nano lettere .

Le perovskiti ad alogenuro di piombo sono il tesoro della ricerca sulle celle solari:il materiale cristallino viene utilizzato per processi di produzione convenienti e, superando la soglia del 20%, ha già raggiunto enormi efficienze di conversione della potenza in un tempo relativamente breve. Questo materiale ha ancora un inconveniente fondamentale, però, e questa è la sua instabilità. Una recente scoperta di un Erwin Schrödinger Fellow della FWF, in collaborazione con Aaron Fafarman e un team di ricercatori della Drexel University di Philadelphia, NOI, ha ora dimostrato che questa instabilità può essere notevolmente ridotta attraverso alti livelli di drogaggio con ioni cloruro.

Alti livelli di doping

David Egg, che è supportato da una borsa di studio Schrödinger e ha sede presso il Dipartimento di materiali e interfacce del Weizmann Institute of Science in Israele, insieme ai suoi colleghi hanno scoperto che alcune perovskiti possono contenere alti livelli di ioni cloruro (doping) e che ciò migliora la stabilità del materiale funzionale in determinate condizioni fino a due ordini di grandezza.

Egger elabora:"Abbiamo esaminato le perovskiti di cesio-piombo-ioduro. Un problema è la stabilità della fase funzionale di questo materiale che ci interessa per le applicazioni:in condizioni praticamente rilevanti, avviene una transizione di fase e le eccellenti proprietà fotovoltaiche si perdono quasi immediatamente."

Da precedenti esperimenti sulle perovskiti che includevano il cloruro invece degli ioni ioduro, si potrebbe ipotizzare che il drogaggio del materiale con il cloruro possa migliorarne la stabilità. Però, raggiungere questo obiettivo nella pratica si è rivelato estremamente difficile.

Egger e i suoi colleghi hanno scelto un approccio interdisciplinare per indagare se il drogaggio con cloruro potesse avere un effetto positivo sulla stabilità delle perovskiti a base di cesio:"Abbiamo usato simulazioni atomistiche per dimostrare che gli ioni cloruro sono mobili nel cristallo di perovskite, può essere facilmente incorporato nel materiale ospite, e che ciò aumenterebbe la stabilità meccanica. I nostri colleghi hanno progettato un approccio sperimentale per introdurre il cloruro nel materiale perovskite, che hanno ottenuto utilizzando un processo di sinterizzazione chimica", Egger spiega la cooperazione internazionale tra il Weizmann Institute in Israele e gli scienziati della Drexel University e dell'Università della Pennsylvania negli Stati Uniti.

Risultati sorprendenti

Quando si analizza la stabilità del cesio-piombo-ioduro-cloruro, la squadra è rimasta sorpresa. Poiché le perovskiti di alogenuro di piombo sono in genere particolarmente instabili a contatto con l'acqua, il team ha monitorato la stabilità del materiale dei nuovi composti a diversi livelli di umidità. Ad un'umidità relativa del 54%, l'emivita della fase funzionale del nuovo materiale era sei volte più lunga di quella dei campioni di controllo senza cloruro. A livelli di umidità ridotti dell'undici per cento, l'emivita è diventata ancora più lunga. Egger commenta la scoperta:"L'emivita migliorata della fase di perovskite funzionale a un'umidità relativa dell'11% era tale che non potevamo più rilevare una transizione di fase della perovskite drogata con cloruro entro il tempo massimo di misurazione possibile del nostro dispositivi, che era 96 ​​ore. Per la perovskite non drogata, però, questo è successo molto più velocemente, indicando che il drogaggio con cloruro ha aumentato l'emivita di almeno 2 ordini di grandezza." Gli scienziati hanno nuovamente combinato i risultati dell'esperimento e della teoria per dimostrare che livelli di drogaggio con cloruro oltre il due per cento nel materiale appena creato non sono possibili.

L'intuizione fondamentale fornita da Egger e dai suoi colleghi, sostenuto dalla Erwin Schrödinger Fellowship della FWF, possono ora essere utilizzati in nuovi approcci per sfruttare l'enorme potenziale delle celle solari in perovskite con una capacità ancora maggiore.