Cristalli luminosi: avvicinare i materiali a base di calcogenuri alle applicazioni pratiche
Prima misurazione sperimentale dell'efficienza luminosa delle perovskiti a base di calcogenuri: questi materiali emettono luce in modo molto più efficiente di quanto si pensasse in precedenza
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I calcogenuri sono materiali versatili oggetto di intense ricerche nel campo delle celle solari, dei fotorilevatori e di altre applicazioni legate alla conversione della luce e dell’energia. I ricercatori del laboratorio «Transport at Nanoscale Interfaces» dell’Empa sono riusciti per la prima volta a misurare con successo l’efficienza di emissione luminosa delle perovskiti a base di calcogenuri, dimostrando che sono molto più efficienti nell’emissione di luce di quanto previsto. I ricercatori stanno inoltre esplorando promettenti proprietà superconduttive e quantistiche in una forma aghiforme del materiale che in precedenza era considerata un sottoprodotto indesiderato.
Una cella solare tipica è realizzata in silicio cristallino e converte circa il 20 per cento della luce solare in entrata in energia. Questo è il modo più comune per produrre una cella solare, ma non l’unico. Altri materiali possono, ad esempio, consentire la realizzazione di celle leggere e flessibili, richiedere meno energia durante la produzione o aumentarne l’efficienza.
Le celle solari a perovskite rappresentano un’alternativa promettente. Nella scienza dei materiali, il termine «perovskite» non si riferisce a un composto chimico specifico, bensì a un tipo di struttura del materiale. I rappresentanti più noti sono le perovskiti alogenate, oggetto di intense ricerche presso l’Empa e altrove e attualmente commercializzate dalla Perovskia Solar, spin-off dell’Empa. Tuttavia, anche altri materiali possono assumere questa struttura cristallina di perovskite.
Una stella nascente nel mondo delle perovskiti sono le cosiddette perovskiti a calcogenuri. I calcogenuri sono stabili, costituiti da elementi non tossici abbondanti nella crosta terrestre e possiedono le proprietà ottiche ed elettroniche necessarie per le celle solari e applicazioni simili – almeno in teoria. Questo perché, fino ad ora, una delle proprietà più importanti – l’efficienza di emissione luminosa – non era stata dimostrata sperimentalmente in questi materiali.
Un team di ricercatori dell’Empa guidato da Mirjana Dimitrievska, in collaborazione con Susan Schorr dell’Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie di Berlino e altri partner, ha ora dimostrato per la prima volta l’efficienza di emissione luminosa nelle perovskiti a calcogenuri. I ricercatori hanno pubblicato i risultati del loro studio sulla rivista «Advanced Optical Materials».
«Osservare» il materiale
Per stimolare la fotoluminescenza – la capacità di «illuminarsi», per così dire – del materiale, i ricercatori dell’Empa hanno studiato un cristallo di solfuro di bario e zirconio, una perovskite a base di calcogenuri, prodotto presso l’Helmholtz-Zentrum. A tal fine, hanno impiegato metodi spettroscopici avanzati, una specialità del gruppo di ricerca di Mirjana Dimitrievska. «Abbiamo dimostrato che il materiale presenta una fotoluminescenza relativamente forte. Tuttavia, quando viene prodotto sotto forma di film sottile, questa fotoluminescenza viene fortemente smorzata dai difetti introdotti durante la sintesi e la lavorazione», spiega la ricercatrice. «I nostri risultati sui monocristalli, tuttavia, corrispondono molto bene alla teoria».
La discrepanza tra teoria e pratica è un aspetto fondamentale della scienza dei materiali. «Lo sviluppo dei materiali inizia solitamente dalla teoria», afferma Dimitrievska. «Gli scienziati computazionali dei materiali utilizzano modelli teorici e calcoli per identificare quali materiali potrebbero essere adatti a una specifica applicazione. Questi materiali vengono poi sintetizzati e trasformati in componenti prototipali iniziali, come parti di dispositivi quali celle solari o fotorilevatori, per verificarne le prestazioni e se soddisfano le aspettative».
Quando la pratica si discosta dalla teoria, spetta agli esperti di spettroscopia come Dimitrievska determinarne il motivo. «Possiamo stabilire, ad esempio, se il processo di sintesi non è stato ottimale e il materiale presenta troppi difetti, oppure se il problema risiede nei collegamenti elettrici del dispositivo prototipo», spiega. Sulla base di questi risultati, sia la sintesi che la lavorazione del materiale vengono ulteriormente perfezionate, finché non è pronto per l’applicazione. C’è ancora molto lavoro di sviluppo da fare prima che le perovskiti a base di calcogenuri possano essere utilizzate nella pratica. Tuttavia: «Il nostro studio ha dimostrato che questi materiali hanno un grande potenziale e che vale la pena approfondire la ricerca su di essi», conclude Dimitrievska.
Un sottoprodotto si fa notare
Le potenziali applicazioni potrebbero cambiare man mano che il materiale viene sviluppato. I materiali per le celle solari sono interessanti anche per altre applicazioni optoelettroniche, come i fotorilevatori. E a volte emergono applicazioni del tutto inaspettate. Durante la sintesi delle perovskiti a base di calcogenuri a partire dai loro elementi costitutivi, si forma un sottoprodotto. Anziché il reticolo cristallino della perovskite, si formano minuscole strutture aghiformi con sezione esagonale. Questa fase, in precedenza considerata indesiderabile, presenta proprietà sorprendenti. Gli aghi di calcogenuro polarizzano, rifrangono e conducono la luce in modi unici, oltre a mostrare potenziale sia come superconduttori che come materiali quantistici.
In un progetto sostenuto dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) nell’ambito del suo programma internazionale Weave, Dimitrievska e il suo team, in collaborazione con l’Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga in Germania, mirano ora a studiare questi «aghi quantistici», a svilupparne ulteriormente la sintesi, a comprenderne meglio le proprietà uniche e a integrarli nei primi componenti fotonici ed elettronici.
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