Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold
Questo studio rivela che il tiocianato di ammonio migliora le prestazioni delle celle solari a perovskite MAPbI₃ non facilitando il trasporto di carica attraverso gli strati 2D, bensì controllando cineticamente la formazione della fase quasi-2D per creare un'impalcatura con adattamento reticolare che funge da modello strutturale per la crescita di cristalli di perovskite 3D altamente ordinati.
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Le celle solari realizzate con una classe di materiali chiamati perovskiti promettono grandi cose per il futuro dell'energia pulita. Questi materiali sono economici da produrre e possono essere stampati su superfici flessibili, ma affrontano un ostacolo significativo: sono spesso instabili quando esposti all'umidità e all'aria. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno sviluppato una variante nota come perovskiti quasi-bidimensionali. Immaginate un sandwich in cui strati di un materiale altamente efficiente e capace di assorbire la luce sono separati da spessi fogli organici idrorepellenti. Questi fogli organici agiscono come una barriera protettiva, schermando gli strati interni dall'umidità e rendendo la cella solare molto più durevole. Tuttavia, questa protezione ha un costo. I thick strati organici possono bloccare il flusso di elettricità, e il materiale spesso si forma in un mix disordinato di diversi spessori di strati, che intrappola l'energia e riduce la potenza che la cella può generare. Per anni, i ricercatori hanno lottato per trovare un modo per mantenere la stabilità di queste strutture stratificate senza sacrificare la loro capacità di condurre elettricità in modo efficiente.
In uno studio recente, un team di ricercatori ha indagato su un comune additivo chimico chiamato tiocianato di ammonio, che era stato utilizzato per migliorare queste celle solari, ma la cui funzione esatta rimaneva un mistero. La convinzione prevalente era che questo additivo funzionasse costringendo gli strati organici protettivi a stare in piedi verticalmente, come una pila di libri appoggiati sul bordo, permettendo all'elettricità di fluire più facilmente attraverso il materiale. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di testare questa idea creando film sottili del materiale perovskitico utilizzando due tipi diversi di molecole organiche, una con una catena leggermente più lunga dell'altra, e osservando come il materiale si formava con e senza l'additivo. Hanno osservato la formazione dei film in tempo reale, misurato come assorbivano la luce e utilizzato potenti raggi X per vedere la disposizione degli atomi all'interno del materiale.
Ciò che hanno scoperto ha ribaltato la comprensione precedente. L'additivo non si limitava semplicemente a riorientare gli strati organici affinché stessero in piedi. Al contrario, agiva come una guida che aiutava il materiale a formare una struttura cristallina tridimensionale altamente ordinata fin dall'inizio. I ricercatori hanno scoperto che l'additivo rallentava il processo di cristallizzazione, dando agli atomi più tempo per disporsi in un modello perfetto invece di correre verso uno stato disordinato e caotico. Nei campioni che utilizzavano la molecola organica a catena più lunga, l'additivo ha impedito con successo la formazione di uno specifico e problematico spessore di strato che funge da ostacolo per l'elettricità. Ha incoraggiato la crescita di strati intermedi che fungevano da impalcatura temporanea, permettendo alla struttura cristallina tridimensionale finale, altamente efficiente, di crescere con un orientamento perfettamente allineato. Ciò ha dato origine a un materiale che non era solo più stabile, ma anche molto più bravo a muovere l'elettricità.
L'evidenza di questo nuovo meccanismo è stata trovata nel modo in cui gli atomi erano disposti. Utilizzando lo scattering di raggi X, il team ha visto che l'additivo causava l'allineamento dei piani cristallini tridimensionali in modo tale che il piano (110) fosse parallelo al substrato, una configurazione ideale per estrarre energia. Questo allineamento era così preciso da somigliare a un pavimento perfettamente piastrellato piuttosto che a un cumulo di macerie. Fondamentalmente, questo effetto accadeva solo quando l'additivo interagiva con la specifica molecola organica dotata della catena più lunga. Quando i ricercatori hanno utilizzato la molecola a catena più corta, l'additivo non è riuscito a fermare la formazione degli strati problematici e il materiale è rimasto disordinato. Ciò ha dimostrato che il successo dell'additivo dipendeva da un abbinamento chimico specifico tra l'additivo e la molecola organica, piuttosto che da un effetto generale sul materiale.
L'impatto di questa scoperta è stato immediatamente visibile nelle prestazioni delle celle solari. I dispositivi realizzati con la molecola a catena più lunga e l'additivo hanno prodotto molta più elettricità rispetto a quelli senza di esso. La quantità di corrente che potevano generare è aumentata sostanzialmente, passando da circa 9,2 a 17,1 mA cm⁻², e l'efficienza complessiva di conversione della luce solare in energia è balzata da un livello modesto a una cifra molto più competitiva. Il miglioramento è derivato dal fatto che la nuova struttura ordinata permetteva alle cariche di muoversi liberamente senza incastrarsi ai bordi di grano o essere bloccate dagli indesiderati strati sottili. I ricercatori hanno anche confermato che l'additivo non si limitava a riparare i difetti nel materiale esistente; esso cambiava fondamentalmente il modo in cui il materiale cresceva. Estendendo la finestra temporale affinché gli atomi trovassero la loro posizione corretta, l'additivo ha permesso la formazione di un cristallo di alta qualità che era precedentemente difficile da ottenere in questi complessi sistemi stratificati.
Questo lavoro suggerisce che la chiave per migliori celle solari non risiede solo nell'aggiungere sostanze chimiche per risolvere i problemi, ma nel controllare attentamente il tempo e le condizioni di formazione del materiale. Lo studio dimostra che, rallentando il processo di cristallizzazione e utilizzando la giusta combinazione di molecole, gli scienziati possono guidare il materiale affinché si costruisca da solo in una struttura altamente efficiente. Sebbene l'additivo non abbia funzionato per ogni tipo di molecola organica testata, il successo con la versione a catena più lunga fornisce una chiara tabella di marcia per progettare le future celle solari. Dimostra che, con i giusti partner chimici, è possibile creare materiali perovskitici che siano sia stabili contro gli elementi che efficienti nel raccogliere l'energia, avvicinandoci a un futuro in cui l'energia solare sia sia affidabile che accessibile.
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