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Molecular glues for perovskite materials

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Le scoperte di materiali indicano un futuro luminoso per le celle solari

I materiali semiconduttori a bassa tossicità prodotti attraverso un processo pionieristico privo di solventi potrebbero segnare una nuova era per le applicazioni di celle solari e LED.

Tecnologie industriali

Le perovskiti di alogenuri sono una classe di materiali semiconduttori che, se utilizzate in una cella solare, possono trasformare la luce del sole in elettricità (e l’elettricità in luce visibile nei LED). Sebbene il materiale sia noto da diversi decenni, la totale comprensione del suo enorme potenziale per il fotovoltaico (celle solari) è avvenuta solo di recente. «Rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali come il silicio, le perovskiti di alogenuri hanno diversi vantaggi», spiega Henk Bolink, professore presso l’Istituto di Scienze Molecolari dell’Università di Valencia, Spagna. «Perovskiti di alta qualità possono essere ottenute attraverso processi chimici estremamente semplici. Il materiale può quindi essere realizzato in modo da coprire l’intera gamma visibile, dall’infrarosso all’ultravioletto. Questo apre una serie di possibili applicazioni, come le celle solari e i LED bianchi». Una sfida fondamentale nella commercializzazione di questo materiale è stata tuttavia la redditività economica. I dispositivi fotovoltaici su larga scala hanno bisogno di una vita operativa di almeno 10 anni, mentre i LED più all’avanguardia funzionano per migliaia di ore. «Sono necessari miglioramenti nella stabilità del fotovoltaico e dei LED basati su perovskite», afferma Bolink. Una seconda sfida è che tutti i LED e le celle solari a base di perovskiti di alogenuri ad alta efficienza contengono piccole quantità di piombo tossico. Le perovskiti senza piombo eliminerebbero la necessità di contenimento e di riciclaggio. Raggiungere una lavorazione priva di solventi renderebbe le perovskiti una proposta ancora più attraente.

Alternative a bassa tossicità

Il progetto PerovSAMs è stato lanciato nel gennaio 2018 per esplorare materiali alternativi a bassa tossicità per perovskiti a base di alogenuri di piombo e per sviluppare metodi di produzione senza solventi. Questa ricerca ha coinvolto Francisco Palazon come titolare delle borse di studio individuali del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie. «A volte le idee più semplici sono le più valide», afferma Bolink. «Prima di iniziare, non pensavamo davvero che la macinazione di diversi prodotti chimici insieme potesse portare alla formazione di così tanti materiali interessanti. Tuttavia, abbiamo iniziato a vedere un grande potenziale in questa tecnica». Il team del progetto ha esplorato diverse composizioni chimiche. «La ricerca per sostituire il piombo con metalli più ecologici ci ha portato a materiali più “esotici”, come gli alogenuri di rame ternari», aggiunge Bolink. Una sfida fondamentale è stata quella di trasformare i materiali in polvere in pellicola sottile (come si potrebbe trovare in dispositivi come le celle solari). È stata sviluppata una tecnica per riscaldare la polvere all’interno di una camera sotto vuoto, al fine di condensare i materiali nel substrato desiderato. «Abbiamo anche scoperto, con nostra sorpresa, che pellet di alta qualità, che potrebbero essere interessanti per i rilevatori a raggi X, potrebbero essere preparati semplicemente pressando le polveri», spiega Bolink.

Potenziale per l’industria

Il successo del progetto PerovSAMs nello sviluppo di un processo di produzione basato sul vuoto, oltre che nella produzione di alogenuri di rame a bassa tossicità con luminescenza blu brillante, è stato condiviso dalle riviste accademiche. «La tecnologia sviluppata in questo progetto ha un grande potenziale di trasferimento all’industria», osserva Bolink. «Stiamo ottimizzando i processi per consentire l’ampliamento della produzione». Questo progetto ha anche dato il via a una nuova linea di ricerca sulle perovskiti a base di alogenuri e la relativa optoelettronica. «Ci aspettiamo che le tecniche che abbiamo applicato si diffondano sempre di più», afferma Bolink. «Ciò contribuirà alla scoperta di nuovi materiali e alla loro applicazione nel fotovoltaico e in altre applicazioni». Il rapido sviluppo delle composizioni di perovskite è uno dei punti di partenza del progetto HELD finanziato dal CER, di cui Bolink è il ricercatore principale. Il progetto è iniziato nel settembre 2019 e si propone di sviluppare pile multistrato altamente luminescenti e metodi di produzione riproducibili. «Qui svilupperemo ulteriormente i metodi pionieristici del PerovSAM, trasformando le polveri in pellicole sottili omogenee», conclude.

Parole chiave

PerovSAMs, perovskiti a base di alogenuri, solare, LED, fotovoltaico, tossico, luminescente, optoelettronica, senza solventi, chimico

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