fotovoltaico – Un altro tassello si aggiunge allo studio sui materiali destinati a cambiare il futuro del fotovoltaico.
La struttura a bassa temperatura delle perovskiti ibride organiche-inorganiche di alogenuri, cristalli artificiali in grado di trasformare la luce solare in energia elettrica, è stata scoperta da un team di ricercatori dell’Università degli Studi di Roma La Sapienza in collaborazione con il Politecnico di Losanna (CH) e il CNR-IOM di Cagliari.
Lo studio è stato pubblicato su Science Advances.
Le perovskiti di alogenuri hanno attratto l’attenzione della comunità scientifica per la loro efficienza di conversione dell’energia solare assorbita in corrente elettrica del 22.1%. Si tratta di un livello di efficienza superiore a quello di alcuni dispositivi convenzionali usati per i pannelli solari nell’edilizia residenziale e che può essere ottenuto tramite processi di fabbricazione relativamente semplici ed economici, simili a quelli per la produzione delle pellicole fotografiche. La combinazione delle due caratteristiche rende questo materiale molto appetibile per la produzione di pannelli fotovolt
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Il gruppo di ricerca coordinato da Simone Meloni della Sapienza, ha sviluppato i modelli teorici della struttura elettronica di questa classe di materiali, permettendo di spiegare una serie di proprietà inusuali dello spettro di fotoluminescenza di diversi tipi di perovskiti ibride.
Nei semiconduttori il passaggio corrente avviene quando gli elettroni sono eccitati, ad esempio dalla luce solare, e si spostano dalla banda di valenza, ovvero la banda a più alto valore energetico tra quelle occupate dagli elettroni, alla banda successiva, la banda di conduzione, priva di elettroni. L’energia della luce necessaria per questa eccitazione dipende dalla grandezza della band gap, l’intervallo di energia che separa le due bande, interdetto agli elettroni. Nelle perovskiti è stata riscontrata una dipendenza anomala della band gap dalla temperatura a causa della natura antilegante della banda di valenza: quando sale la temperatura e gli atomi si allontanano gli elettroni della banda di valenza diventano più stabili, ossia diminuisce la loro energia, e la band gap aumenta.
L’individuazione di un sistema per ridurre la band gap o contrastare la sua espansione con l’aumento della temperatura è tra i prossimi obiettivi dei ricercatori. Nel frattempo sono stati messi a punto metodi per migliorare le prestazioni di questi materiali, come la combinazione di diversi tipi di ioni molecolari.
E’ stato anche osservato che a basse temperature, e questo ha interesse soprattutto per le applicazioni aerospaziali, le perovskiti presentano due distinte band gap.
Il motivo dipende dal fatto che gli ioni molecoli intrappolati all’interno della griglia tridimensionale del cristallo possono orientarsi in maniera ordinata, generando un forte campo elettrico, oppure disordinata, dando vita a un campo più basso. L’esistenza di domini ordinati e disordinati produce due strutture elettroniche diverse, con effetti sul valore minimo della frequenza di luce che può essere assorbita o emessa.
“Un atipico comportamento – spiega Meloni – che può avere conseguenze anche sul trasporto di carica elettrica nella cella e dunque sull’efficienza dell’intero dispositivo”.
I risultati conseguiti dal gruppo di ricerca rappresentano un importante progresso nella comprensione delle proprietà delle perovskiti in quanto d’aiuto per aumentare ulteriormente l’efficienza delle celle fotovoltaiche ed aprire a nuove applicazioni nel campo dei laser e dei sensori ottici.
21 dicembre 2016
