Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

La ricerca di un'energia più pulita si è a lungo concentrata su materiali in grado di catturare la luce solare e trasformarla in elettricità con una straordinaria efficienza. Tra i candidati più promettenti figurano una famiglia di cristalli noti come perovskiti, che hanno recentemente rivoluzionato il campo dell'energia solare. Questi materiali sono costituiti da una specifica disposizione di atomi che permette loro di assorbire la luce intensamente e di muovere rapidamente le cariche elettriche. Per anni, la versione più efficace di questi cristalli si è basata sul piombo, un elemento che li fa rendere eccezionalmente bene ma che introduce un problema serio: il piombo è tossico. Esso pone rischi significativi per la salute umana e l'ambiente, influenzando il sistema nervoso e gli organi, e può accumularsi nel suolo e nell'acqua. Ciò crea un difficile dilemma per gli scienziati: come mantenere l'alta prestazione di questi materiali solari rimuovendo al contempo l'elemento pericoloso che li rende nocivi.

In uno studio pubblicato nell'agosto 2026, i ricercatori Hasan Abbas e Zishan H. Khan della Jamia Millia Islamia in India hanno affrontato questa sfida confrontando il classico cristallo a base di piombo con una nuova alternativa priva di piombo. Si sono posti l'obiettivo di creare due materiali specifici in laboratorio: il noto ioduro di metilammonio e piombo, che contiene piombo, e un nuovo composto chiamato ioduro di metilammonio e bismuto, che sostituisce il piombo con il bismuto, un elemento molto più sicuro. Il team non si è limitato a mescolare sostanze chimiche; ha fatto crescere con cura sottili film di questi materiali su lastre di vetro e li ha poi sottoposti a una serie di test per vedere come fossero costruiti e come interagissero con la luce. Il loro obiettivo era capire se la versione più sicura al bismuto potesse eguagliare la qualità strutturale e le capacità di assorbimento della luce della versione al piombo, o se si sarebbe rivelata insufficiente in modi tali da impedirne l'uso in veri pannelli solari.

I ricercatori hanno iniziato sintetizzando entrambi i materiali utilizzando un metodo in soluzione liquida, un processo che consiste nel dissolvere gli ingredienti grezzi in un solvente e poi farli asciugare per formare un film solido. Una volta creati i film, li hanno esaminati sotto potenti microscopi per vedere il loro aspetto su scala infinitesimale. Le immagini hanno rivelato che il film di bismuto privo di piombo era eccezionalmente liscio e denso, privo dei piccoli fori o lacune che talvolta compaiono nella versione a base di piombo. I cristalli di bismuto formavano inoltre strutture leggermente più grandi rispetto ai loro corrispettivi al piombo. Quando il team ha osservato la disposizione interna degli atomi utilizzando la diffrazione di raggi X, una tecnica che rivela la struttura cristallina, ha scoperto che il materiale al bismuto era in realtà più ordinato e uniforme rispetto al materiale al piio. Questo maggiore grado di ordine suggeriva che il film privo di piombo fosse di altissima qualità, potenzialmente persino migliore in termini di struttura fisica rispetto alla tradizionale versione al piombo.

Successivamente, il team ha rivolto l'attenzione a come questi materiali gestivano la luce, che è il fattore più critico per una cella solare. Hanno fatto passare la luce attraverso una vasta gamma di colori, dall'ultravioletto all'infrarosso, per vedere quanta ne venisse assorbita e quanta ne passasse attraverso. I risultati hanno mostrato che entrambi i materiali erano eccellenti nel catturare la luce, ma lo facevano in modi leggermente diversi. Il materiale a base di piombo assorbiva la luce con maggiore intensità a una lunghezza d'onda di 760 nanometri, mentre il materiale al bismuto raggiungeva il picco a 530 nanometri. La versione al piombo era in grado di assorbire una gamma più ampia dello spettro visibile, il che rappresenta un vantaggio chiave per la generazione di elettricità. I ricercatori hanno anche calcolato come la luce viaggiava attraverso i materiali e hanno scoperto che il film privo di piombo era più uniforme, con meno imperfezioni che potevano disperdere la luce. Questa uniformità, combinata con la superficie liscia osservata nelle immagini al microscopio, indicava che il materiale al bismuto possedeva una struttura interna molto costante.

Forse il risultato più significativo riguardava il band gap energetico, ovvero la quantità specifica di energia necessaria per liberare un elettrone affinché possa trasportare una corrente. Il materiale a base di piombo presentava un band gap di 1,65 elettronvolt, un valore molto vicino all'ideale teorico per una cella solare a singolo strato. Questo accostamento quasi perfetto spiega perché le perovskiti a base di piombo abbiano avuto così tanto successo nella conversione della luce solare in energia. Al contrario, il materiale al bismuto privo di piombo presentava un band gap più ampio di 2,23 elettronvolt. Sebbene questo valore sia comunque utile, significa che il materiale assorbe una porzione diversa dello spettro solare ed è meno efficiente nel catturare l'intera gamma di luce solare rispetto alla versione al piombo. Lo studio ha anche esaminato come i materiali emettevano luce dopo averla assorbita, un processo chiamato fotoluminescenza. Il materiale al piombo brillava a una lunghezza d'onda di 760 nanometri, mentre il materiale al bismuto brillava a 590 nanometri, confermando le differenze nei loro band gap.

In definitiva, lo studio delinea un quadro in cui i due materiali presentano punti di forza distinti. La perovskite al bismuto priva di piombo si è dimostrata strutturalmente superiore in molti aspetti, formando un film più liscio e uniforme con meno difetti rispetto alla versione al piombo. È inoltre priva della tossicità che rende il piombo così pericoloso. Tuttavia, il materiale a base di piombo mantiene un vantaggio cruciale: il suo band gap è più vicino all'ideale per l'energia solare, permettendogli di raccogliere una maggiore quantità di energia dalla luce solare. I ricercatori hanno concluso che, sebbene l'opzione priva di piombo mostri grande promessa e offra migliori proprietà morfologiche, necessita ancora di ulteriore ottimizzazione per eguagliare l'efficienza della sua rivale a base di piombo. Il lavoro suggerisce che la strada da seguire consista nel perfezionare questi materiali più sicuri, magari modificandone la composizione, per portare le loro prestazioni più vicine agli alti standard stabiliti dai cristalli al piombo, pur essendo tossici e altamente efficienti.