Le celle solari realizzate con film che imitano la struttura del minerale perovskite sono al centro della ricerca mondiale. Ma solo ora i ricercatori della Case Western Reserve University hanno mostrato direttamente che i film hanno una proprietà chiave che consente loro di convertire efficacemente la luce solare in elettricità.

Identificare questo attributo potrebbe portare a pannelli solari più efficienti.

Gli elettroni generati quando la luce colpisce il film non sono limitati dai bordi dei grani, i bordi delle subunità cristalline all'interno del film, e percorrono lunghe distanze senza deteriorarsi, i ricercatori hanno mostrato. Ciò significa che i portatori di carica elettrica che rimangono intrappolati e decadono in altri materiali sono invece disponibili per essere prelevati come corrente.

Gli scienziati hanno misurato direttamente la distanza percorsa, chiamata lunghezza di diffusione, per la prima volta utilizzando la tecnica chiamata "microscopia di imaging a fotocorrente a scansione spaziale". Lunghezza di diffusione all'interno di un film di perovskite ben orientato misurato fino a 20 micrometri.

Le scoperte, pubblicato sulla rivista Nano lettere , indicano che le celle solari potrebbero essere rese più spesse senza danneggiarne l'efficienza, disse Xuan Gao, professore associato di fisica e autore dell'articolo.

"Una cellula più spessa può assorbire più luce, " Egli ha detto, "potenzialmente producendo una cella solare migliore".

Efficienza integrata

I ricercatori sull'energia solare ritengono che i film di perovskite siano molto promettenti. In meno di cinque anni, i film realizzati con la struttura cristallina hanno superato il 20% di efficienza nella conversione della luce solare in elettricità, un marchio che ha impiegato decenni per raggiungere con le celle solari a base di silicio utilizzate oggi.

In questa ricerca, Il laboratorio di Gao ha eseguito misurazioni di immagini fotocorrenti scansionate spazialmente su film realizzati nel laboratorio del professore di chimica della Case Western Reserve Clemens Burda.

I minerali di perovskite che si trovano in natura sono ossidi di alcuni metalli, ma il laboratorio di Burda ha realizzato film organo-metallici con la stessa struttura cristallina utilizzando tri-ioduro di piombo metil ammonio (CH3NH3PBI3), un alogenuro di piombo tridimensionale circondato da piccole molecole organiche di metilammonio che tengono insieme la struttura reticolare.

"La domanda è stata, 'Come sono queste celle solari così efficienti? Se lo sapessimo, potremmo migliorare ulteriormente le celle solari perovskite", ha detto Burda. "La gente pensava che potesse essere dovuto a un trasporto di elettroni insolitamente lungo, e l'abbiamo misurato direttamente."

La lunghezza di diffusione è la distanza di un elettrone o del suo opposto, chiamato buco, viaggia di generazione fino a quando non si ricombina o viene estratta come corrente elettrica. La distanza è uguale alla lunghezza del trasporto quando non viene applicato alcun campo elettrico (che di solito aumenta la distanza percorsa).

Misurare il viaggio

I laboratori hanno effettuato misurazioni ripetute focalizzando un minuscolo punto laser su pellicole di 8 millimetri quadrati per 300 nanometri di spessore. I film sono stati resi stabili rivestendo la perovskite con uno strato di polimero parylene.

La luce genera elettroni e lacune e la fotocorrente, o flusso di elettroni, viene registrato tra gli elettrodi posizionati a circa 120 micron di distanza l'uno dall'altro mentre il film viene scansionato lungo due direzioni perpendicolari. La scansione produce una mappa spaziale bidimensionale della diffusione del vettore e delle caratteristiche di trasporto.

Le misurazioni hanno mostrato una lunghezza di diffusione media di circa 10 micron. In alcuni casi, la lunghezza ha raggiunto i 20 micron, mostra che l'area funzionale del film è lunga almeno 20 micron, hanno detto i ricercatori.

In alcuni materiali, i bordi dei grani riducono la conduttività, ma l'imaging ha mostrato che queste interfacce tra i grani nel film non esercitavano alcuna influenza sul viaggio degli elettroni. Gao e Burda dicono che questo potrebbe essere dovuto al fatto che i grani nel film sono ben allineati, non causando impedenza o altri effetti dannosi su elettroni o lacune.

Burda e Gao stanno ora cercando fondi federali per utilizzare la tecnica della microscopia per determinare se diverse granulometrie, orientamenti, composizioni di perovskite ad alogenuri, gli spessori del film e altro modificano le proprietà del film, per accelerare ulteriormente la ricerca sul campo.