Gli additivi salini correggono i difetti dei cristalli di perovskite nelle celle solari
I ricercatori dell'Argonne National Laboratory usano un processo eutettico volatile per stabilizzare cristalli sintetici per 1.400 ore sotto calore continuo
Di Giovanni Sapere
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Un metodo chimico che impiega additivi salini risolve i difetti strutturali atomici nei cristalli di perovskite, offrendo un percorso praticabile per i dispositivi per l'energia rinnovabile. I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato che una liquefazione temporanea impedisce alle cariche elettriche di restare intrappolate nei confini dei cristalli. Questa innovazione consente alle celle solari di conservare l'85,8 per cento della loro efficienza dopo 1.400 ore di funzionamento continuo a 85 gradi Celsius.
Abbassare il punto di fusione per creare una griglia uniforme
Le perovskiti sono cristalli sintetici costruiti da disposizioni atomiche ripetute che assorbono la luce e trasferiscono cariche elettriche, rappresentando un campo promettente di invenzione per la tecnologia solare. Quando le pellicole sottili di perovskite si depositano su una superficie durante la produzione, si sviluppano lacune strutturali microscopiche che intrappolano le cariche e accorciano la vita operativa, come riportato da Interesting Engineering.
Per contrastare questo problema, il team di ricerca ha introdotto due specifici additivi chimici: il bromuro di zinco e il cloruro di metilammonio. I sali funzionano attraverso un processo eutettico volatile, abbassando il punto di fusione degli ingredienti della perovskite allo stesso modo in cui il sale stradale scioglie il ghiaccio. Quando esposti al calore, la miscela forma brevemente una poltiglia liquida, dando agli atomi il tempo sufficiente per disporsi in una griglia uniforme invece di solidificarsi in una formazione disordinata. Man mano che la lavorazione termica continua, gli additivi salini evaporano completamente, lasciando uno strato cristallino puro.
«I difetti sono stati il collo di bottiglia per le perovskiti per quasi un decennio. Se riusciamo a eliminare i difetti principali, possiamo finalmente iniziare a costruire dispositivi che durano più a lungo e funzionano in modo più affidabile».
— Yanqi Luo, scienziata della linea di luce all'Argonne National Laboratory
Mappare le riparazioni atomiche in tempo reale
Tracciare la ristrutturazione dei cristalli ha richiesto strumenti analitici ad alta risoluzione presso l'Advanced Photon Source e il Center for Nanoscale Materials dell'Argonne. Utilizzando sonde a raggi X ad alta intensità, gli scienziati hanno registrato simultaneamente la composizione chimica e il comportamento ottico, secondo Interesting Engineering.
Le misurazioni hanno confermato che gli atomi di zinco residui migrano verso le linee di faglia rimanenti durante il riscaldamento, levigando i difetti prima che si possano formare trappole strutturali. La scienziata della linea di luce Yanqi Luo e il team hanno verificato che l'eliminazione di questi difetti rimuove la principale barriera prestazionale che ha ostacolato la commercializzazione della perovskite per circa un decennio, stabilendo una preziosa proprietà intellettuale per i futuri sistemi energetici.
Miglioramenti prestazionali misurati su moduli e diodi
Il metodo eutettico volatile ha prodotto miglioramenti misurabili su diversi tipi di dispositivi testati in laboratorio. Le celle solari di piccola area hanno raggiunto un'efficienza di conversione energetica certificata del 25,9 per cento, mentre i minimoduli di perovskite più grandi hanno raggiunto il 23,9 per cento, come documentato da Interesting Engineering.
Oltre a conservare l'85,8 per cento dell'efficienza iniziale dopo 1.400 ore a 85 gradi Celsius, il trattamento dei cristalli si è dimostrato efficace anche in altri dispositivi optoelettronici. I diodi a emissione luminosa prodotti con il processo hanno raggiunto un'efficienza quantica esterna del 26,1 per cento. Con l'Advanced Photon Source aggiornata per fornire fasci di raggi X fino a 500 volte più luminosi, i ricercatori intendono passare da istantanee statiche a osservazioni continue della formazione dei cristalli su superfici industriali più grandi, aprendo la strada a un'implementazione commerciale scalabile e alla protezione brevettuale.
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