I ricercatori della Rice University, supportati dal Dipartimento dell’Energia statunitense, hanno prodotto cristalli 2D di perovskite “quasi perfetti”, cresciuti da semi dello stesso materiale organico. Una scoperta importante per il settore fotovoltaico, poiché consentirebbe di realizzare celle solari efficienti e stabili.
Gli ingegneri della Rice University di Houston (Texas) hanno creato semi microscopici di perovskite per far “germogliare” cristalli 2D (talmente “sottili” da essere praticamente bidimensionali) straordinariamente uniformi che sono sia stabili, sia altamente efficienti nel raccogliere elettricità dalla luce solare. Le perovskiti ad alogenuri sono materiali organici realizzati con elementi svariati e poco costosi, e il metodo di crescita da semi utilizzato dall’università texana si focalizza sia sulle prestazioni che sui problemi di produzione che hanno ostacolato la tecnologia fotovoltaica basati sulla perovskite ad alogenuri.
In uno studio intitolato “Memory Seeds Enable High Structural Phase Purity in 2D Perovskite Films for High-Efficiency Devices” pubblicato online sulla rivista Advanced Materials, gli ingegneri chimici della Brown School of Engineering di Rice hanno descritto come realizzare i semi e usarli per far crescere sottilissimi film (strati) uniformi, dello spessore di un atomo, che consentono di catturare l’energia solare in modo più efficiente e affidabile, come dimostrato dai test di laboratorio. Questi semi di cristalli di perovskite preparati in laboratorio, spiegano gli autori dello studio, sono in grado di auto-assemblarsi, agendo da stampo fino a formare sottili strati, uniformi sia nelle dimensioni che nelle proprietà.
“Abbiamo escogitato un metodo grazie al quale è davvero possibile personalizzare le proprietà degli strati macroscopici modificando gli ingredienti della soluzione di partenza”, ha affermato il coautore dello studio Aditya Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e di scienza dei materiali e nano-ingegneria alla Rice. “Si può arrivare a qualcosa di molto omogeneo nelle sue dimensioni e proprietà, e che porta a una maggiore efficienza. Abbiamo ottenuto un’efficienza del dispositivo quasi allo stato dell’arte per quanto riguarda il caso 2D, pari al 17%, senza ottimizzazione. Riteniamo di poterla migliorare in diversi modi.”
La ricerca è stata supportata dall’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy del Dipartimento dell’Energia statunitense (U.S. DOE), dall’Academic Institute of France e dall’Office of Naval Research, e si è avvalsa delle strutture del DOE presso l’Argonne National Laboratory e il Brookhaven National Laboratory.
Una grande sfida di ricerca nel campo fotovoltaico
Mohite ha affermato che ottenere strati 2D omogenei di perovskite è stata una grande sfida nella comunità di ricerca che si dedica al fotovoltaico della perovskite ad alogenuri, comunità che ha visto una crescita straordinaria negli ultimi dieci anni. “Ci si aspetta che i film omogenei portino a dispositivi optoelettronici dotati sia di elevata efficienza, sia di stabilità tecnologicamente rilevante”, ha affermato Mohite.
Questi film fotovoltaici ad alta efficienza prodotti da semi si sono dimostrati piuttosto stabili, conservando oltre il 97% della loro massima efficienza dopo 800 ore di utilizzo. In ricerche precedenti, i dispositivi fotovoltaici in perovskite ad alogenuri 3D erano stati sì altamente efficienti, ma soggetti a un rapido degrado, mentre i dispositivi 2D difettavano di efficienza ma risultavano altamente stabili.
Il nome perovskite si riferisce sia a uno specifico minerale scoperto in Russia nel 1839, sia a qualsiasi composto con la struttura cristallina di quel minerale. Ad esempio, le perovskiti ad alogenuri possono essere prodotte mescolando piombo, stagno e altri metalli con sali di bromuro o ioduro. L’interesse della ricerca sulle perovskiti ad alogenuri è salito dopo che nel 2012 è stato dimostrato il loro potenziale per il fotovoltaico ad alta efficienza. Mohite, che ha incominciato a lavorare per la Rice University nel 2018, ha studiato il fotovoltaico a perovskite a base di alogenuri per più di cinque anni, in particolare le perovskiti 2D, forme piatte, quasi atomicamente sottili del materiale, che sono più stabili dei loro cugini più spessi a causa di una intrinseca resistenza all’umidità. “L’idea che una memoria o una storia – una sorta di seme genetico – possa dettare le proprietà dei materiali è un concetto potente nella scienza dei materiali”, ha detto Mohite. “Molti modelli funzionano in questo modo. Se vuoi coltivare in laboratorio un singolo cristallo di diamante o silicio, ad esempio, hai bisogno del seme di un singolo cristallo che possa fungere da modello”.
Il metodo della “seeded growth”
Nel metodo di crescita dai semi, quest’ultimi vengono prodotti facendo crescere lentamente un cristallo 2D uniforme e poi riducendolo in polvere, che viene sciolta in un solvente. La soluzione così ottenuta viene quindi applicata su dischi attraverso la procedura del rivestimento per rotazione (Spin Coating), e finisce per produrre film con superficie omogenea, uniforme.
La “seeded growth” è stata spesso dimostrata per i cristalli inorganici, ma i ricercatori della Rice University lo hanno fatto per la prima volta con riguardo ale perovskiti organiche 2D. La crescita da semi è stata spesso tentata, ma raramente realizzata, nei nanomateriali: ci riferiamo a un metodo di autoassemblaggio per realizzare materiali macroscopici che mantengano le caratteristiche delle singole nanoparticelle di cui sono composti. I ricercatori hanno detto di sperare che la nuova procedura possa essere replicata per altre applicazioni nel campo dei nanomateriali.