I nanoingegneri della UC San Diego hanno sviluppato un nuovo metodo per fabbricare perovskiti come film sottili a cristallo singolo, che sono più efficienti per l'uso in celle solari e dispositivi ottici rispetto alle attuali forme policristalline all'avanguardia del materiale.

Il loro metodo di fabbricazione, che utilizza processi di fabbricazione di semiconduttori standard, si traduce in film flessibili di perovskite a cristallo singolo con area controllata, spessore, e composizione. Questi film a cristallo singolo hanno mostrato meno difetti, maggiore efficienza, e maggiore stabilità rispetto alle loro controparti policristalline, che potrebbe portare all'uso di perovskiti nelle celle solari, LED, e fotorivelatori.

I ricercatori del laboratorio di nanoingegneria della Jacobs School of Engineering del professor Sheng Xu hanno pubblicato i loro risultati il ​​29 luglio in Natura .

"Il nostro obiettivo era superare le sfide nella realizzazione di dispositivi in ​​perovskite a cristallo singolo", disse Yusheng Lei, uno studente laureato in nanoingegneria e primo autore dell'articolo. "Il nostro metodo è il primo in grado di controllare con precisione la crescita e la fabbricazione di dispositivi a cristallo singolo con un'elevata efficienza. Il metodo non richiede attrezzature o tecniche fantasiose:l'intero processo si basa sulla fabbricazione tradizionale di semiconduttori, indicando ulteriormente la sua compatibilità con le procedure industriali esistenti."

Le perovskiti sono una classe di materiali semiconduttori con una specifica struttura cristallina che dimostrano interessanti proprietà elettroniche e optoelettroniche, che rendono le perovskiti attraenti per l'uso in dispositivi che canalizzano, rilevare, o sono controllati dalla luce:celle solari, fibra ottica per la comunicazione, o dispositivi basati su LED, Per esempio.

"Attualmente, quasi tutti gli approcci alla fabbricazione della perovskite sono focalizzati su strutture policristalline poiché sono più facili da produrre, sebbene le loro proprietà e stabilità siano meno eccezionali delle strutture a cristallo singolo", disse Yimu Chen, uno studente laureato in nanoingegneria e co-primo autore dell'articolo.

Il controllo della forma e della composizione delle perovskiti a cristallo singolo durante la fabbricazione è stato difficile. Il metodo inventato nel laboratorio di Xu è stato in grado di superare questo ostacolo sfruttando i processi di fabbricazione dei semiconduttori esistenti, inclusa la litografia.

"L'elettronica moderna come il cellulare, computer, e i satelliti si basano su film sottili monocristallini di materiali come silicio, nitruro di gallio, e arseniuro di gallio, " disse Xu. "I cristalli singoli hanno meno difetti, e quindi migliori prestazioni di trasporto elettronico, rispetto ai policristalli. Questi materiali devono essere in film sottili per l'integrazione con altri componenti del dispositivo, e che il processo di integrazione dovrebbe essere scalabile, basso costo, e idealmente compatibile con gli standard industriali esistenti. Quella era stata una sfida con le perovskiti".

Nel 2018, Il team di Xu è stato il primo a integrare con successo le perovskiti nel processo di litografia standard industriale; una sfida, poiché la litografia coinvolge l'acqua, a cui sono sensibili le perovskiti. Hanno aggirato questo problema aggiungendo uno strato di protezione polimerica alle perovskiti, seguito dall'incisione a secco dello strato di protezione durante la fabbricazione. In questa nuova ricerca, gli ingegneri hanno sviluppato un modo per controllare la crescita delle perovskiti a livello di cristallo singolo progettando un modello di maschera litografia che consente il controllo sia nelle dimensioni laterali che in quelle verticali.

Nel loro processo di fabbricazione, i ricercatori usano la litografia per incidere un modello di maschera su un substrato di cristallo sfuso di perovskite ibrida. Il design della maschera fornisce un processo visibile per controllare la crescita della formazione del film di cristalli ultrasottili. Questo strato di cristallo singolo viene quindi rimosso dal substrato di cristallo sfuso, e trasferito su un substrato arbitrario mantenendo la sua forma e adesione al substrato. Una miscela piombo-stagno con composizione che cambia gradualmente viene applicata alla soluzione di crescita, creando un bandgap elettronico continuamente graduato del film sottile a cristallo singolo.

La perovskite risiede sul piano meccanico neutro racchiuso tra due strati di materiali, permettendo al film sottile di piegarsi. Questa flessibilità consente di incorporare il film monocristallino in celle solari a film sottile flessibile ad alta efficienza, e in dispositivi indossabili, contribuendo all'obiettivo di un controllo wireless senza batteria.

Il loro metodo consente ai ricercatori di fabbricare film sottili a cristallo singolo fino a 5,5 cm per 5,5 cm quadrati, pur avendo il controllo sullo spessore della perovskite a cristallo singolo, che va da 600 nanometri a 100 micron, nonché sul gradiente di composizione nella direzione dello spessore.

"Semplificare ulteriormente il processo di fabbricazione e migliorare la resa di trasferimento sono questioni urgenti su cui stiamo lavorando, " disse Xu. "In alternativa, se possiamo sostituire la maschera del modello con strati di trasporto del vettore funzionali per evitare la fase di trasferimento, l'intera resa di fabbricazione può essere ampiamente migliorata."

Invece di lavorare per trovare agenti chimici per stabilizzare l'uso di perovskiti policristalline, questo studio dimostra che è possibile realizzare dispositivi monocristallini stabili ed efficienti utilizzando procedure e materiali standard di nanofabbricazione. Il team di Xu spera di ampliare ulteriormente questo metodo per realizzare il potenziale commerciale delle perovskiti.