Meno innocente di quanto sembri: idrogeno nelle perovskiti ibride: i ricercatori identificano il difetto che limita le prestazioni delle celle solari

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Una vacanza di idrogeno (la macchia nera a sinistra del centro) creata rimuovendo l'idrogeno da una molecola di metilammonio, intrappola i portatori nella perovskite ibrida prototipo, lo ioduro di piombo di metilammonio CH3NH3Pbl3 CREDITO Xie Zhang

Abstract:
I ricercatori del dipartimento dei materiali del College of Engineering della UC Santa Barbara hanno scoperto una delle principali cause di limitazioni all'efficienza in una nuova generazione di celle solari.

Meno innocente di quanto sembri: idrogeno nelle perovskiti ibride: i ricercatori identificano il difetto che limita le prestazioni delle celle solari

Santa Barbara, CA | Pubblicato il 30 aprile 2021

Vari possibili difetti nel reticolo di quelle che sono note come perovskiti ibride erano stati precedentemente considerati la potenziale causa di tali limitazioni, ma si presumeva che le molecole organiche (i componenti responsabili del moniker "ibrido") sarebbero rimaste intatte. I calcoli all'avanguardia hanno ora rivelato che gli atomi di idrogeno mancanti in queste molecole possono causare enormi perdite di efficienza. I risultati sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Minimizzare le vacanze di idrogeno per abilitare perovskiti ibride altamente efficienti", nel numero del 29 aprile della rivista Nature Materials.

Le straordinarie prestazioni fotovoltaiche delle perovskiti ibride hanno creato molta eccitazione, dato il loro potenziale per far avanzare la tecnologia delle celle solari. "Ibrido" si riferisce all'inclusione di molecole organiche in un reticolo inorganico di perovskite, che ha una struttura cristallina simile a quella del minerale di perovskite (ossido di calcio e titanio). I materiali mostrano efficienze di conversione di potenza che rivaleggiano con quella del silicio, ma sono molto più economici da produrre. Tuttavia, è noto che i difetti nel reticolo cristallino della perovskite creano una dissipazione di energia indesiderata sotto forma di calore, che limita l'efficienza.

Numerosi gruppi di ricerca hanno studiato tali difetti, tra cui il gruppo del professore di materiali UCSB Chris Van de Walle, che ha recentemente ottenuto una svolta scoprendo un difetto dannoso in un luogo che nessuno aveva guardato prima: sulla molecola organica.

"Lo ioduro di piombo di metilammonio è la perovskite ibrida prototipo", ha spiegato Xie Zhang, ricercatore capo del progetto. “Abbiamo scoperto che è sorprendentemente facile rompere uno dei legami e rimuovere un atomo di idrogeno sulla molecola di metilammonio. La risultante "vacanza di idrogeno" funge quindi da dissipatore per le cariche elettriche che si muovono attraverso il cristallo dopo essere state generate dalla luce che cade sulla cella solare. Quando queste cariche vengono bloccate nel posto vacante, non possono più svolgere un lavoro utile, come caricare una batteria o alimentare un motore, da qui la perdita di efficienza.

La ricerca è stata resa possibile da tecniche computazionali avanzate sviluppate dal gruppo di Van de Walle. Tali calcoli all'avanguardia forniscono informazioni dettagliate sul comportamento quantomeccanico degli elettroni nel materiale. Mark Turiansky, uno studente laureato del gruppo di Van de Walle che è stato coinvolto nella ricerca, ha contribuito a costruire approcci sofisticati per trasformare queste informazioni in valori quantitativi per i tassi di intrappolamento del vettore di carica.

"Il nostro gruppo ha creato metodi efficaci per determinare quali processi causano una perdita di efficienza", ha affermato Turiansky, "ed è gratificante vedere che l'approccio fornisce spunti così preziosi per un'importante classe di materiali".

"I calcoli agiscono come un microscopio teorico che ci consente di scrutare il materiale con una risoluzione molto più elevata di quella che si può ottenere sperimentalmente", ha spiegato Van de Walle. “Essi costituiscono anche una base per la progettazione razionale dei materiali. Attraverso prove ed errori, è stato scoperto che le perovskiti in cui la molecola di metilammonio è sostituita dal formamidinio mostrano prestazioni migliori. Siamo ora in grado di attribuire questo miglioramento al fatto che i difetti di idrogeno si formano meno facilmente nel composto di formamidinio.

"Questa intuizione fornisce una chiara motivazione per la saggezza stabilita empiricamente secondo cui il formamidinio è essenziale per realizzare celle solari ad alta efficienza", ha aggiunto. "Sulla base di queste intuizioni fondamentali, gli scienziati che fabbricano i materiali possono sviluppare strategie per sopprimere i difetti dannosi, aumentando ulteriori miglioramenti dell'efficienza nelle celle solari".

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Il finanziamento di questa ricerca è stato fornito dall'Ufficio delle scienze e dall'Ufficio delle scienze energetiche di base del Dipartimento dell'energia. I calcoli sono stati eseguiti presso il National Energy Research Scientific Computing Center.

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Contatti:
James Badham

@ucsantabarbara

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