Rappresentazione artistica di elettroni che si incanalano in aree di alta qualità di materiale perovskite. Credito:Alex T. presso Ella Maru Studios
I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno utilizzato una suite di metodi di microscopia correlativa e multimodale per visualizzare, per la prima volta, perché i materiali di perovskite sono apparentemente così tolleranti ai difetti nella loro struttura. Le loro scoperte sono state pubblicate oggi su Nature Nanotechnology .
Il materiale più comunemente utilizzato per la produzione di pannelli solari è il silicio cristallino, ma per ottenere una conversione energetica efficiente è necessario un processo di produzione ad alta intensità energetica e dispendioso in termini di tempo per creare la struttura del wafer altamente ordinata richiesta.
Nell'ultimo decennio, i materiali perovskite sono emersi come alternative promettenti.
I sali di piombo utilizzati per realizzarli sono molto più abbondanti ed economici da produrre rispetto al silicio cristallino e possono essere preparati con un inchiostro liquido che viene semplicemente stampato per produrre una pellicola del materiale. Mostrano anche un grande potenziale per altre applicazioni optoelettroniche, come i diodi a emissione di luce (LED) ad alta efficienza energetica e i rilevatori di raggi X.
L'impressionante performance delle perovskiti è sorprendente. Il modello tipico per un eccellente semiconduttore è una struttura molto ordinata, ma la serie di diversi elementi chimici combinati nelle perovskiti crea un paesaggio molto più "disordinato".
Questa eterogeneità provoca difetti nel materiale che portano a "trappole" su scala nanometrica, che riducono le prestazioni fotovoltaiche dei dispositivi. Ma nonostante la presenza di questi difetti, i materiali perovskite mostrano ancora livelli di efficienza paragonabili alle loro alternative in silicio.
In effetti, ricerche precedenti del gruppo hanno dimostrato che la struttura disordinata può effettivamente aumentare le prestazioni dell'optoelettronica della perovskite e il loro ultimo lavoro cerca di spiegare perché.
Combinando una serie di nuove tecniche di microscopia, il gruppo presenta un quadro completo del panorama chimico, strutturale e optoelettronico di questi materiali su scala nanometrica, che rivela le complesse interazioni tra questi fattori concorrenti e, in definitiva, mostra quale risulta essere il migliore.
"Quello che vediamo è che abbiamo due forme di disturbo che accadono in parallelo", spiega il dottorato di ricerca. studente Kyle Frohna, "il disordine elettronico associato ai difetti che riducono le prestazioni, e poi il disordine chimico spaziale che sembra migliorarle.
"E quello che abbiamo scoperto è che il disturbo chimico - il disturbo 'buono' in questo caso - mitiga il disturbo 'cattivo' dai difetti incanalando i portatori di carica lontano da queste trappole in cui potrebbero altrimenti rimanere intrappolati".
In collaborazione con il Cavendish Laboratory di Cambridge, la struttura di sincrotrone Diamond Light Source a Didcot e l'Okinawa Institute of Science and Technology in Giappone, i ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche microscopiche per osservare le stesse regioni nella pellicola di perovskite. Potrebbero quindi confrontare i risultati di tutti questi metodi per presentare il quadro completo di ciò che sta accadendo a livello di nanoscala in questi nuovi promettenti materiali.
"L'idea è di fare qualcosa chiamato microscopia multimodale, che è un modo molto elegante per dire che osserviamo la stessa area del campione con più microscopi diversi e fondamentalmente proviamo a correlare le proprietà che estraiamo da uno con le proprietà che estraiamo da un altro", dice Frohna. "Questi esperimenti richiedono molto tempo e molte risorse, ma le ricompense che ottieni in termini di informazioni che puoi estrarre sono eccellenti."
I risultati consentiranno al gruppo e ad altri nel campo di perfezionare ulteriormente il modo in cui vengono realizzate le celle solari in perovskite al fine di massimizzare l'efficienza.
"Per molto tempo, le persone hanno usato il termine tolleranza ai difetti, ma questa è la prima volta che qualcuno lo visualizza correttamente per capire cosa significhi effettivamente essere tolleranti ai difetti in questi materiali.
"Sapendo che questi due disturbi in competizione si giocano l'uno contro l'altro, possiamo pensare a come moduliamo efficacemente uno per mitigare gli effetti dell'altro nel modo più vantaggioso."
"In termini di novità dell'approccio sperimentale, abbiamo seguito una strategia di microscopia multimodale correlativa, ma non solo, ogni tecnica autonoma è all'avanguardia di per sé", afferma Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow presso il Dipartimento di chimica di Cambridge Ingegneria e Biotecnologie
"Abbiamo visualizzato e indicato le ragioni per cui possiamo chiamare questi materiali tolleranti ai difetti. Questa metodologia consente nuovi percorsi per ottimizzarli su scala nanometrica per, in definitiva, ottenere prestazioni migliori per un'applicazione mirata. Ora, possiamo esaminare altri tipi di perovskiti che sono non solo buono per le celle solari, ma anche per LED o rivelatori e comprende i loro principi di funzionamento.
"Ancora più importante, l'insieme di strumenti di acquisizione che abbiamo sviluppato in questo lavoro può essere esteso allo studio di qualsiasi altro materiale optoelettronico, qualcosa che potrebbe essere di grande interesse per la più ampia comunità della scienza dei materiali."
"Attraverso queste visualizzazioni, ora comprendiamo molto meglio il panorama su scala nanometrica di questi affascinanti semiconduttori:il buono, il cattivo e il brutto", afferma Sam Stranks, assistente universitario in energia presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge.
"Questi risultati spiegano come l'ottimizzazione empirica di questi materiali sul campo abbia portato queste perovskiti a composizione mista a prestazioni così elevate. Ma ha anche rivelato progetti per la progettazione di nuovi semiconduttori che potrebbero avere attributi simili, dove il disordine può essere sfruttato per personalizzare le prestazioni ." + Esplora ulteriormente
