Un rivestimento bidimensionale di un composto di perovskite è la base per una cella solare efficiente che potrebbe resistere all'usura ambientale, a differenza delle precedenti perovskiti. Gli ingegneri della Rice University hanno aumentato l'efficienza fotovoltaica delle perovskiti 2D fino al 18%. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Gli ingegneri della Rice University hanno raggiunto un nuovo punto di riferimento nella progettazione di celle solari atomicamente sottili fatte di perovskiti semiconduttrici, aumentando la loro efficienza pur mantenendo la loro capacità di resistere all'ambiente.
Il laboratorio di Aditya Mohite della George R. Brown School of Engineering della Rice ha scoperto che la luce solare stessa contrae lo spazio tra gli strati atomici nelle perovskiti 2D in modo tale da migliorare l'efficienza fotovoltaica del materiale fino al 18%, un balzo sbalorditivo in un campo in cui il progresso è spesso misurato in frazioni di percentuale.
"In 10 anni, l'efficienza delle perovskiti è salita alle stelle da circa il 3% a oltre il 25%", ha affermato Mohite. "Altri semiconduttori hanno impiegato circa 60 anni per arrivarci. Ecco perché siamo così entusiasti."
La ricerca compare in Nature Nanotechnology .
Le perovskiti sono composti che hanno reticoli cristallini cubi e sono raccoglitori di luce altamente efficienti. Il loro potenziale è noto da anni, ma presentano un enigma:sono bravi a convertire la luce solare in energia, ma la luce solare e l'umidità li degradano.
"Una tecnologia a celle solari dovrebbe funzionare per 20-25 anni", ha affermato Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e di scienza dei materiali e nanoingegneria. "Lavoriamo da molti anni e continuiamo a lavorare con perovskiti sfuse che sono molto efficienti ma non altrettanto stabili. Al contrario, le perovskiti 2D hanno un'enorme stabilità ma non sono abbastanza efficienti da poter essere allestite su un tetto.
"Il grosso problema è stato renderli efficienti senza compromettere la stabilità", ha affermato.
Gli ingegneri Rice e i loro collaboratori delle università Purdue e Northwestern, dei laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Los Alamos, Argonne e Brookhaven e dell'Institute of Electronics and Digital Technologies (INSA) di Rennes, in Francia, hanno scoperto che in alcune perovskiti 2D la luce solare si riduce efficacemente lo spazio tra gli atomi, migliorando la loro capacità di trasportare una corrente.
"Scopriamo che mentre accendi il materiale, lo strizzi come una spugna e unisci gli strati per migliorare il trasporto di carica in quella direzione", ha detto Mohite. I ricercatori hanno scoperto che il posizionamento di uno strato di cationi organici tra lo ioduro in alto e il piombo in basso migliorava le interazioni tra gli strati.
"Questo lavoro ha implicazioni significative per lo studio degli stati eccitati e delle quasiparticelle in cui una carica positiva si trova su uno strato e la carica negativa si trova sull'altro e possono parlare tra loro", ha detto Mohite. "Questi sono chiamati eccitoni, che possono avere proprietà uniche.
Lo studente laureato della Rice University Siraj Sidhik si prepara a ricoprire un substrato con un composto che si solidifica in una perovskite 2D. Gli ingegneri della Rice hanno scoperto che gli spettacoli di perovskite promettono celle solari efficienti e robuste. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Questo effetto ci ha dato l'opportunità di comprendere e personalizzare queste interazioni fondamentali tra luce e materia senza creare eterostrutture complesse come i dicalcogenuri di metalli di transizione 2D impilati", ha affermato.
Gli esperimenti sono stati confermati da modelli computerizzati da colleghi in Francia. "Questo studio ha offerto un'opportunità unica per combinare tecniche di simulazione ab initio all'avanguardia, indagini sui materiali utilizzando strutture nazionali di sincrotrone su larga scala e caratterizzazioni in situ di celle solari in funzione", ha affermato Jacky Even, professore di fisica all'INSA. "Il documento descrive per la prima volta come un fenomeno di percolazione rilasci improvvisamente il flusso di corrente di carica in un materiale perovskite."
Entrambi i risultati hanno mostrato che dopo 10 minuti sotto un simulatore solare con intensità di un sole, le perovskiti 2D si sono contratte dello 0,4% lungo la loro lunghezza e di circa l'1% dall'alto verso il basso. Hanno dimostrato che l'effetto può essere visto in 1 minuto con un'intensità di cinque sole.
Wenbin Li, uno studente laureato della Rice University, prepara una cella solare in perovskite 2D per i test in un simulatore solare. Gli ingegneri della Rice hanno potenziato l'efficienza delle celle fatte di perovskiti bidimensionali mantenendone la robustezza. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Non sembra molto, ma questa contrazione dell'1% nella spaziatura del reticolo induce un grande miglioramento del flusso di elettroni", ha affermato Wenbin Li, studente laureato alla Rice e co-autore principale. "La nostra ricerca mostra un triplice aumento della conduzione elettronica del materiale".
Allo stesso tempo, la natura del reticolo ha reso il materiale meno soggetto a degradazione, anche se riscaldato a 80 gradi Celsius (176 gradi Fahrenheit). I ricercatori hanno anche scoperto che il reticolo si è rapidamente rilassato tornando alla sua configurazione normale una volta spenta la luce.
"Una delle principali attrazioni delle perovskiti 2D era che di solito hanno atomi organici che fungono da barriere all'umidità, sono termicamente stabili e risolvono i problemi di migrazione ionica", ha affermato Siraj Sidhik, studente laureato e co-autore principale. "Le perovskiti 3D sono soggette a calore e instabilità della luce, quindi i ricercatori hanno iniziato a mettere strati 2D sopra le perovskiti sfuse per vedere se potevano ottenere il meglio da entrambe.
"Abbiamo pensato, passiamo solo al 2D e rendiamolo efficiente", ha detto.
Per osservare la contrazione del materiale in azione, il team ha utilizzato due strutture per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti:The National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory del DOE e l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National del DOE Laboratorio.
Il fisico Argonne Joe Strzalka, coautore dell'articolo, ha utilizzato i raggi X ultraluminosi dell'APS per catturare minuscoli cambiamenti strutturali nel materiale in tempo reale. Gli strumenti sensibili alla linea di fascio 8-ID-E dell'APS consentono studi di "operando", cioè quelli condotti mentre il dispositivo sta subendo variazioni controllate di temperatura o ambiente in normali condizioni operative. In questo caso, Strzalka e i suoi colleghi hanno esposto il materiale fotoattivo della cella solare alla luce solare simulata mantenendo la temperatura costante e hanno osservato minuscole contrazioni a livello atomico.
Come esperimento di controllo, Strzalka ei suoi coautori hanno anche tenuto la stanza buia e alzato la temperatura, osservando l'effetto opposto:un'espansione del materiale. Questo ha mostrato che era la luce stessa, non il calore che generava, a causare la trasformazione.
"Per cambiamenti come questo, è importante fare studi sull'operando", ha detto Strzalka. "Nello stesso modo in cui il tuo meccanico vuole far funzionare il tuo motore per vedere cosa sta succedendo al suo interno, vogliamo essenzialmente fare un video di questa trasformazione invece di una singola istantanea. Strutture come l'APS ci consentono di farlo."
Strzalka ha notato che l'APS è nel bel mezzo di un importante aggiornamento che aumenterà la luminosità dei suoi raggi X fino a 500 volte. Quando sarà completo, ha affermato, i fasci più luminosi e i rilevatori più veloci e più nitidi miglioreranno la capacità degli scienziati di individuare questi cambiamenti con una sensibilità ancora maggiore.
Ciò potrebbe aiutare il team Rice a modificare i materiali per prestazioni ancora migliori. "Siamo sulla buona strada per ottenere un'efficienza superiore al 20% progettando i cationi e le interfacce", ha affermato Sidhik. "Cambierebbe tutto nel campo delle perovskiti, perché le persone inizierebbero a utilizzare le perovskiti 2D per i tandem perovskite/silicio 2D e perovskite 2D/3D, che potrebbero consentire efficienze prossime al 30%. Ciò lo renderebbe interessante per la commercializzazione."
I coautori dell'articolo sono gli studenti laureati della Rice Jin Hou, Hao Zhang e Austin Fehr, lo studente universitario Joseph Essman, lo studente in scambio Yafei Wang e l'autore corrispondente Jean-Christophe Blancon, uno scienziato senior nel laboratorio Mohite; Boubacar Traore, Claudine Katan all'INSA; Reza Asadpour e Muhammad Alam di Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos e Mercouri Kanatzidis della Northwestern; Jared Crochet di Los Alamos e Esther Tsai di Brookhaven. + Esplora ulteriormente
