Utilizzando protocolli di cristallizzazione specifici e molecole organiche realizzate su misura, un gruppo di scienziati ha progettato una perovskite 2D con un band gap a 1.7–1.8 eV e un'elevata stabilità. Un risultato che potrebbe aprire nuove possibilità per le celle solari a doppia giunzione.
Per ottenere il risultato migliore a volte non è necessario aggiungere, ma togliere. Una regola che potrebbe valere anche per il fotovoltaico tandem, stando a un recente lavoro della Rice University sulle perovskiti bidimensionali. Gli scienziati dell’università texana hanno collaborato con colleghi provenienti dagli Stati Uniti e dalla Francia per realizzare un cristallo 2D più stabile della versione tridimensionale, ma con un’altrettanto buona capacità di assorbimento luminoso. Un risultato che, secondo il team scientifico, potrebbe offrire progressi essenziali nella tecnologia del solare multigiunzione.
La perovskite nel solare tandem
L’impiego della perovskite si è dimostrato l’ultimo grande trend nel campo fotovoltaico a doppia o tripla giunzione. Il motivo è semplice: questa classe di materiali sintetici può essere progettata per vantare un ampio gap di banda (a 1.7-1.8 eV), catturando efficacemente la luce ad alta energia e lasciando passare quella a minore energia. In un’architettura tandem questo si traduce in una cella anteriore a base di perovskite che assorbe i fotoni della porzione arancione, giallo, verde, blu e UV dello spettro, sopra una seconda cella solitamente in silicio (con un gap di banda invece molto stretto) che assorbe il vicino infrarosso.
Un matrimonio perfetto sulla carta, meno nella realtà. Per queste combinazioni il risultato migliore, sotto il profilo della banda proibita, si è sempre ottenuto con le perovskiti tridimensionali. Il problema? Sono estremamente sensibili all’umidità, fattore che ne determina un progressivo deterioramento.
La “morbidezza” delle Perovskiti 2D
Sono più resistenti, invece, la perovskiti bidimensionali. La struttura ospita lunghe catene organiche idrofobiche che agiscono come distanziatori e respingono le molecole d’acqua. Peccato che, a differenza dei semiconduttori completamente inorganici come il silicio che tendono a formare strutture cristalline simmetriche e altamente ordinate, la struttura della perovskite 2D – con componenti organici e inorganici – si presenti come un reticolo più morbido e dunque più soggetto a distorsioni. Nella pratica questa mancanza di simmetria ostacola il movimento delle cariche elettriche e l’efficienza stessa della cella.
La perovskite bidimensionale multistrato
Il team di ricercatori guidato da Aditya Mohite della Rice University ha progettato una perovskite 2D multistrato che non solo non presenta tali distorsioni, ma è anche “quanto di più vicino alla simmetria perfetta si possa trovare in un cristallo”. “E, per quanto ne sappiamo – aggiunge Mohite – è la prima volta che questo viene dimostrato in un sistema di perovskite 2D multistrato a temperatura ambiente”.
Per ottenere ciò il team si è ispirato alla struttura della perovskite 3D FAPbI3 al fine di creare una versione 2D migliorata. Utilizzando protocolli di cristallizzazione specifici e molecole organiche progettate su misura, sono così riusciti a ottenere precisi gruppi spaziali tetragonali accorciando la distanza tra gli strati a soli 4 Å.
In questo modo le proprietà di trasporto degli eccitoni sono migliorate drasticamente, sia in termini di lunghezza di diffusione che di velocità di movimento. “Tutta la luce che viene assorbita forma questi eccitoni, che possono poi propagarsi attraverso il materiale per più di due micrometri senza perdere energia”, spiega Mohite. “Si tratta di un risultato importantissimo, perché non molti materiali sono in grado di farlo”.
Non solo. Il nuovo approccio ha permesso per la prima volta di ottenere forme più spesse e multistrato, modificando il modo in cui il materiale interagisce con la luce. Un elemento essenziale dal momento che le perovskiti bidimensionali a strato singolo hanno solitamente un band gap che limita l’assorbimento alla sola luce violetta (2.2-2.5 eV).
Man mano che vengono sovrapposti più strati, il band gap si abbassa: a tre strati raggiunge l’1.7-1.8 eV, riuscendo a catturare una porzione più ampia dello spettro solare.
Nuove perovskiti bidimensionali, i test
Gli scienziati hanno testato il materiale in prototipi di fotorivelatori autoalimentati, dispositivi che convertono la luce in segnali elettrici. Grazie alla nuova perovskite i fotorivelatori si sono mostrati più sensibili e reattivi rispetto a quelli realizzati con una diversa perovskite bidimensionale.
“Una delle principali sfide attuali per i dispositivi fotovoltaici tandem è rappresentata dai materiali a banda proibita ampia”, ha affermato Faiz Mandani, ex studente di dottorato alla Rice University e coautore dello studio. “Le perovskiti bidimensionali che stiamo sviluppando presentano una maggiore stabilità. E questa specifica perovskite 2D ha una banda proibita quasi ideale per essere abbinata al silicio o a qualsiasi altra perovskite o semiconduttore.”
La ricerca Exciton diffusion beyond 2 μm enabled by maximum symmetry in two-dimensional perovskites è stata pubblicata su Nature Synthesis.
