Extending the Pnictide Chemical Space for Photovoltaics
Attraverso uno screening sistematico basato sui primi principi degli spazi chimici dei pnictidi ternari e quaternari, questo studio identifica tre candidati termodinamicamente stabili — NaCaInN, NaSrInN e KZnP — con proprietà elettroniche ottimali e resistenza ai difetti per applicazioni fotovoltaiche di prossima generazione.
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La fame di energia del mondo cresce più velocemente che mai, e la dipendenza dalla combustione di combustibili fossili non è più una strada sostenibile. L'energia solare offre un'alternativa pulita, ma la tecnologia che cattura la luce solare e la trasforma in elettricità ha un grande collo di bottiglia: i materiali utilizzati. Per decenni, l'industria solare ha fatto affidamento sul silicio, un materiale che funziona bene ma che richiede fogli spessi e costosi per assorbire abbastanza luce a causa di come la sua struttura interna gestisce l'energia. Per rendere l'energia solare più economica ed efficiente, gli scienziati stanno cercando nuovi materiali che siano non solo abbondanti e non tossici, ma che possiedano anche una specifica proprietà elettronica che permetta loro di assorbire la luce molto più efficientemente del silicio. Questa proprietà riguarda un divario energetico preciso che gli elettroni devono saltare per generare una corrente; se il divario è troppo ampio, il materiale ignora la maggior parte della luce solare, e se è troppo stretto, spreca l'energia che riesce a catturare. Trovare un materiale con il divario perfetto, composto da elementi sicuri e capace di sopravvivere alle dure condizioni di produzione e di esercizio, è il santo graal della moderna ricerca solare.
In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di esplorare un vasto territorio, in gran parte inesplorato, di composti chimici noto come pnictidi per trovare questi pezzi mancanti. Si tratta di materiali formati combinando elementi di gruppi specifici della tavola periodica, come azoto o fosforo, con metalli come sodio, calcio o zinco. Sebbene alcuni composti simili siano stati studiati in precedenza, essi spesso contengono elementi tossici come l'arsenico, rendendoli impraticabili per un uso diffuso. Il team ha concentrato la ricerca su una specifica famiglia di composti ternari e quaternari, ovvero miscele di tre o quattro elementi diversi, sperando di trovare versioni stabili e non tossiche che potessero servire come la prossima generazione di celle solari. Utilizzando potenti simulazioni al computer basate sulle leggi della meccanica quantistica, non hanno semplicemente tirato a indovinare; hanno costruito e testato sistematicamente 104 diverse combinazioni di questi elementi. Hanno iniziato costruendo modelli digitali di questi materiali, disponendo gli atomi nei modelli più probabili basati su strutture cristalline note, e poi hanno calcolato quanto sarebbero stabili tali disposizioni.
Il primo ostacolo per ogni nuovo materiale è la stabilità. Se un composto è troppo instabile, si decomporrà o cambierà la sua struttura prima ancora di poter essere utilizzato. I ricercatori hanno calcolato l'energia necessaria per mantenere insieme ciascuna delle 104 combinazioni, chiedendosi effettivamente se il materiale avrebbe naturalmente voluto esistere o se si sarebbe decomposto in parti più semplici. Hanno scoperto che solo 41 di queste combinazioni erano abbastanza stabili da poter essere potenzialmente prodotte in un laboratorio. Da questo gruppo più piccolo, sono passati al filtro successivo: la capacità di assorbire la luce solare. Hanno simulato come gli elettroni in questi materiali si comporterebbero quando colpiti dalla luce, cercando il divario energetico specifico menzionato in precedenza. Il divario ideale per una cella solare a strato singolo si colloca tra 1,1 e 1,5 elettron volt, un intervallo che cattura la maggior parte dell'energia dal sole senza sprecarla. Molti dei materiali stabili sono falliti questo test, avendo divari che erano o troppo piccoli o troppo grandi. Tuttavia, un manipolo di candidati è emerso con divari che rientravano pienamente in questa finestra ottimale.
L'ultima fase del processo di screening ha riguardato il controllo di difetti nascosti che potrebbero rovinare le prestazioni di una cella solare. Anche se un materiale è stabile e ha il giusto divario energetico, può fallire se è incline a formare piccoli difetti, come atomi mancanti o atomi fuori posto all'interno del suo reticolo cristallino. Questi difetti agiscono come trappole che catturano l'elettricità in movimento, impedendole di raggiungere il circuito. Il team ha simulato il costo energetico della creazione di questi difetti per i candidati più promettenti. Hanno scoperto che, sebbene alcuni materiali sembrassero buoni sulla carta, erano in realtà piuttosto fragili, con difetti che si formavano facilmente e spontaneamente. Questo rigoroso processo di eliminazione li ha lasciati con tre candidati eccezionali che hanno superato ogni test: due composti contenenti sodio, calcio o stronzio, indio e azoto, e un composto contenente potassio, zinco e fosforo.
Questi tre materiali, identificati come NaCaInN2, NaSrInN2 e K4ZnP2, rappresentano un passo avanti significativo. Le simulazioni suggeriscono che non solo sono abbastanza stabili da poter essere sintetizzati, ma possiedono anche i divari energetici diretti necessari per un'alta efficienza e resistono alla formazione dei difetti che tipicamente uccidono le prestazioni delle celle solari. Uno dei candidati, K4ZnP2, esiste già nel mondo reale ed è stato studiato per le sue proprietà ottiche, conferendo credibilità alle scoperte del team. Gli altri due sono nuove previsioni che non sono mai state testate o analizzate prima. Sebbene i ricercatori osservino che questi materiali debbano ancora essere creati fisicamente e testati in un laboratorio per confermarne il comportamento, i modelli informatici forniscono una forte tabella di marcia. Hanno efficacementmente ristretto un campo di oltre cento possibilità a tre ricette specifiche che gli scienziati possono ora provare a "cucinare" in laboratorio, offrendo una direzione fresca e promettente per lo sviluppo di un'energia solare più pulita ed efficiente.
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