Superamento del collo di bottiglia: nuovo metodo di sintesi migliora la stabilità delle celle solari
Una nuova frontiera nella sintesi dei perovskiti alogenuri bidimensionali
Un team di ingegneri della Rice University, in collaborazione con colleghi della Northwestern University, dell’Università della Pennsylvania e dell’Università di Rennes, ha sviluppato un processo innovativo per la produzione di strati cristallini di perovskiti alogenuri bidimensionali (2D) di spessore e purezza ideali. Questo risultato è stato ottenuto attraverso il controllo dinamico del processo di cristallizzazione, un passo fondamentale per garantire la stabilità dei dispositivi optoelettronici e fotovoltaici.
• Una nuova frontiera nella sintesi dei perovskiti alogenuri bidimensionali
• Il controllo della cristallizzazione dinamica
• Superare i colli di bottiglia nella sintesi
• Una nuova metodologia per cristalli puri di fase
Il controllo della cristallizzazione dinamica
La ricerca, guidata dall’ingegnere chimico e biomolecolare Aditya Mohite della Rice University, ha permesso di ottenere strati semiconduttori basati su perovskiti 2D controllando la temperatura e la durata del processo di cristallizzazione. Questo metodo, noto come confinamento spaziale controllato cineticamente, potrebbe contribuire a migliorare la stabilità e ridurre i costi delle tecnologie emergenti basate su perovskiti alogenuri, come l’optoelettronica e la fotovoltaica.
Superare i colli di bottiglia nella sintesi
“Produrre cristalli di perovskiti 2D con spessori di strato – o spessore del pozzo quantico, noto anche come ‘valore n’ – maggiori di due è un importante collo di bottiglia”, ha affermato Jin Hou, studente di dottorato presso la George R. Brown School of Engineering della Rice University e autore principale dello studio pubblicato su Nature Synthesis. ”Un valore n superiore a quattro significa che i materiali hanno un band gap più stretto e una maggiore conducibilità elettrica, un fattore cruciale per l’applicazione in dispositivi elettronici.”
Durante la formazione dei cristalli, atomi o molecole si organizzano in reticoli altamente ordinati e regolari. Ad esempio, il ghiaccio ha 18 possibili disposizioni atomiche, o fasi. Come gli atomi di idrogeno e ossigeno nel ghiaccio, le particelle che compongono i perovskiti alogenuri possono formare anche molteplici disposizioni reticolari. Poiché le proprietà dei materiali dipendono dalla fase, gli scienziati mirano a sintetizzare strati di perovskiti alogenuri 2D che esibiscano una singola fase in tutto il materiale. Tuttavia, i metodi tradizionali di sintesi per i perovskiti 2D con valori n più elevati generano una crescita cristallina disomogenea, che influisce sulla affidabilità delle prestazioni del materiale.
“In metodi tradizionali di sintesi di perovskiti 2D, si ottengono cristalli con fasi miste a causa della mancanza di controllo sulla cinetica di cristallizzazione, che è fondamentalmente l’interazione dinamica tra temperatura e tempo”, ha detto Hou. “Abbiamo progettato un modo per rallentare la cristallizzazione e regolare gradualmente ciascun parametro cinetico per raggiungere il punto ottimale per una sintesi pura di fase.”
Una nuova metodologia per cristalli puri di fase
Oltre a progettare un metodo di sintesi che può ottenere un aumento graduale del valore n nei perovskiti alogenuri 2D, i ricercatori hanno anche creato una mappa – o diagramma di fase – del processo attraverso la caratterizzazione, la spettroscopia ottica e l’apprendimento automatico.
“Questo lavoro spinge i limiti della sintesi di perovskiti 2D a pozzo quantico superiore, rendendoli un’opzione valida e stabile per una varietà di applicazioni”, ha detto Hou.
“Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per migliorare la purezza dei cristalli e risolto una questione di lunga data nel campo su come avvicinarsi alla sintesi di cristalli puri di fase con alto valore n”, ha detto Mohite, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e scienza dei materiali e nanoingegneria, il cui laboratorio ha aperto la strada a vari metodi per migliorare la qualità e le prestazioni dei semiconduttori di perovskiti alogenuri, dalla calibrazione della fase iniziale di cristallizzazione alla messa a punto del design del solvente.
“Questa svolta nella ricerca è fondamentale per la sintesi di perovskiti 2D, che detengono la chiave per raggiungere una stabilità commercialmente rilevante per le celle solari e per molte altre applicazioni di dispositivi optoelettronici e interazioni fondamentali luce-materia”, ha aggiunto Mohite.