I ricercatori hanno sviluppato un metodo per stabilizzare un materiale promettente noto come perovskite per celle solari economiche, senza compromettere le sue prestazioni quasi perfette. Credito: Università di Cambridge

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per stabilizzare un materiale promettente noto come perovskite per celle solari economiche, senza compromettere le sue prestazioni quasi perfette.

I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno utilizzato una molecola organica come “modello” per guidare i film di perovskite nella fase desiderata mentre si formano. I loro risultati sono riportati sulla rivista Scienza.

I materiali in perovskite offrono un’alternativa più economica al silicio per la produzione di dispositivi optoelettronici come celle solari e LED.

Esistono molte perovskiti diverse, risultanti da diverse combinazioni di elementi, ma una delle più promettenti emerse negli ultimi anni è la FAPbI a base di formamidinio (FA).3 cristallo.

Il composto è termicamente stabile e il suo “bandgap” intrinseco – la proprietà più strettamente legata alla produzione di energia del dispositivo – non è lontano dall’ideale per le applicazioni fotovoltaiche.

Per questi motivi, è stato al centro degli sforzi per sviluppare celle solari in perovskite disponibili in commercio. Tuttavia, il composto può esistere in due fasi leggermente diverse, con una fase che porta a prestazioni fotovoltaiche eccellenti e l’altra con una produzione di energia molto ridotta.

“Un grosso problema con FAPbI3 è che la fase che si desidera è stabile solo a temperature superiori a 150 gradi Celsius “, ha affermato il coautore Tiarnan Doherty del Cavendish Laboratory di Cambridge. A temperatura ambiente, passa a un’altra fase, che è davvero negativa per il fotovoltaico. ”

Soluzioni recenti per mantenere il materiale nella fase desiderata a temperature più basse hanno comportato l’aggiunta di diversi ioni positivi e negativi nel composto.

“Ciò ha avuto successo e ha portato a registrare dispositivi fotovoltaici, ma ci sono ancora perdite di potenza locali che si verificano”, ha affermato Doherty. “Finisci con le regioni locali nel film che non sono nella fase giusta”.

Si sapeva poco sul motivo per cui le aggiunte di questi ioni miglioravano la stabilità complessiva, o anche sull’aspetto della struttura della perovskite risultante.

“C’era questo consenso comune sul fatto che quando le persone stabilizzano questi materiali, sono una struttura cubica ideale”, ha detto Doherty. “Ma quello che abbiamo dimostrato è che aggiungendo tutte queste altre cose, non sono affatto cubiche, sono leggermente distorte. C’è una distorsione strutturale molto sottile che dà una certa stabilità intrinseca a temperatura ambiente”.

La distorsione è così piccola che in precedenza non era stata rilevata, fino a quando Doherty e colleghi non hanno utilizzato tecniche di misurazione strutturale sensibili che non sono state ampiamente utilizzate sui materiali di perovskite.

Il team ha utilizzato la diffrazione elettronica a scansione, la diffrazione dei raggi X e la risonanza magnetica nucleare per vedere, per la prima volta, che aspetto aveva questa fase stabile.

“Una volta capito che era la leggera distorsione strutturale a dare questa stabilità, abbiamo cercato modi per ottenere questo risultato nella preparazione del film senza aggiungere altri elementi al mix”.

Il coautore Satyawan Nagane ha utilizzato una molecola organica chiamata acido etilendiamminotetraacetico (EDTA) come additivo nella soluzione precursore della perovskite, che agisce come agente templante, guidando la perovskite nella fase desiderata mentre si forma. L’EDTA si lega al FAPbI3 superficie per dare un effetto di direzione della struttura, ma non si incorpora nel FAPbI3 struttura stessa.

“Con questo metodo, possiamo ottenere il band gap desiderato perché non aggiungiamo nulla in più al materiale, è solo un modello per guidare la formazione di un film con la struttura distorta – e il film risultante è estremamente stabile”, ha affermato Nagane.

“In questo modo, puoi creare questa struttura leggermente distorta proprio nell’immacolato FAPbI3 composto, senza modificare le altre proprietà elettroniche di quello che è essenzialmente un composto quasi perfetto per il fotovoltaico a perovskite “, ha affermato il coautore Dominik Kubicki del Cavendish Laboratory, che ora ha sede presso l’Università di Warwick.

I ricercatori sperano che questo studio fondamentale contribuirà a migliorare la stabilità e le prestazioni della perovskite. Il loro lavoro futuro comporterà l’integrazione di questo approccio in dispositivi prototipali per esplorare come questa tecnica possa aiutarli a ottenere le perfette celle fotovoltaiche in perovskite.

“Questi risultati modificano la nostra strategia di ottimizzazione e le linee guida di produzione per questi materiali”, ha affermato l’autore senior Dr. Sam Stranks del Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge. “Anche le piccole tasche che non sono leggermente distorte porteranno a perdite di prestazioni, quindi le linee di produzione dovranno avere un controllo molto preciso su come e dove vengono depositati i diversi componenti e gli additivi “distorcenti”. Ciò garantirà che la piccola distorsione sia uniforme ovunque, senza eccezioni”.

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