L'Unità per i materiali energetici e la scienza delle superfici dell'OIST studia le celle solari in perovskite, che si formano stratificando composti di perovskite sopra altri materiali come il vetro. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Composti versatili chiamati perovskiti sono apprezzati per la loro applicazione nelle tecnologie di energia solare di prossima generazione. Nonostante la loro efficienza e relativa economicità, i dispositivi perovskite devono ancora essere perfezionati; spesso contengono difetti strutturali a livello atomico.
Il professor Yabing Qi e il suo team nell'Unità di materiali energetici e scienze delle superfici dell'OIST, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Pittsburgh, NOI., avere, per la prima volta, caratterizzato i difetti strutturali che inducono il movimento degli ioni, destabilizzare i materiali di perovskite. I risultati dei ricercatori, pubblicato in ACS Nano , potrebbe informare i futuri approcci ingegneristici per ottimizzare le celle solari in perovskite.
"Per molto tempo, gli scienziati sanno che esistono difetti strutturali, ma non capiva la loro precisa natura chimica, "ha detto Collin Stecker, un dottorato di ricerca dell'OIST studente e primo autore dello studio. "Il nostro studio approfondisce le caratteristiche fondamentali dei materiali perovskite per aiutare gli ingegneri dei dispositivi a migliorarli ulteriormente".
Problemi a livello di superficie
I composti di perovskite condividono una struttura unica che li rende utili in elettronica, ingegneria, e fotovoltaico. Sono eccezionali nell'assorbire la luce, oltre a generare e trasportare portatori di carica responsabili della corrente nei materiali semiconduttori. L'interposizione di materiali in perovskite tra altri strati funzionali forma celle solari di perovskite. Però, i difetti nello strato di perovskite possono interrompere il trasferimento di carica tra la perovskite e gli strati adiacenti della cellula, ostacolando le prestazioni e la stabilità complessive del dispositivo.
Questa immagine di una superficie di perovskite mostra lo spostamento degli ioni attraverso la superficie, e i posti vacanti che causano questi movimenti. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Per comprendere le proprietà elettroniche e dinamiche di questi difetti di perovskite, i ricercatori dell'OIST hanno utilizzato un metodo chiamato microscopia a effetto tunnel per acquisire immagini ad alta risoluzione dei movimenti dei singoli ioni sulle superfici di perovskite.
Analizzando queste immagini, Stecker e i suoi colleghi hanno notato gruppi di spazi vuoti attraverso le superfici in cui mancavano gli atomi. Inoltre, hanno visto che coppie di ioni Br- (bromuro) sulle superfici di perovskite si stavano spostando e cambiando direzione. I collaboratori dei ricercatori dell'Università di Pittsburgh hanno eseguito una serie di calcoli teorici per modellare i percorsi seguiti da questi ioni, supportare queste osservazioni sperimentali.
Gli scienziati dell'OIST hanno concluso che i vuoti di superficie stavano probabilmente causando il movimento di questi ioni attraverso i materiali di perovskite. Comprendere questo meccanismo di movimento degli ioni può in seguito aiutare scienziati e ingegneri a mitigare le conseguenze strutturali e funzionali di questi difetti.
I ricercatori hanno riconosciuto che, sebbene le perovskiti siano alternative promettenti al silicio ampiamente utilizzato, la tecnologia deve essere perfezionata prima di essere commercializzata.
"Queste superfici di perovskite sono molto più dinamiche di quanto previsto in precedenza, " disse Stecker. "Ora, con queste nuove scoperte, speriamo che gli ingegneri possano spiegare meglio l'effetto dei difetti e il loro movimento al fine di migliorare i dispositivi."
