Spin-Coating-Speed-Dependent Structural and Optical Properties of Open-Air-Processed MAPbI 3 Thin Films: Experimentally Informed SCAPS-1D Device Simulation

L'energia solare è stata a lungo il dominio di pesanti pannelli di silicio, ma un nuovo, più leggero contendente è emerso dal laboratorio: le celle solari a perovskite. Questi dispositivi utilizzano una classe speciale di cristalli che possono essere dipinti sulle superfici come inchiostro, offrendo un potenziale percorso verso un'elettricità economica e flessibile. La versione più promettente di questo materiale è un composto chiamato ioduro di metilammonio e piombo. Per farlo funzionare, gli scienziati devono far crescere uno strato sottile e impeccabile di questi cristalli su un vetrino da laboratorio. La qualità di questo strato determina quanto bene la cella solare cattura la luce solare e la trasforma in energia. Tuttavia, la crescita di questi cristalli è un delicato gioco di equilibrio. Se il processo è troppo lento, il materiale si asciuga in modo non uniforme; se è troppo veloce, i cristalli non hanno il tempo di formarsi correttamente. La sfida consiste nel trovare la velocità esatta che permetta ai cristalli di crescere grandi e ordinati, creando un film liscio senza crepe o lacune.

Un team di ricercatori dell'Università Obafemi Awolowo e della Federal University of Technology Owerri, in Nigeria, si è posto l'obiettivo di risolvere questo specifico enigma. Si sono concentrati su una singola variabile: quanto velocemente dovrebbe ruotare il vetrino mentre la soluzione liquida viene applicata. Questo processo di rotazione, noto come spin coating, distribuisce il liquido in un film sottile. Il team ha testato quattro diverse velocità, che vanno da 2.000 a 5.000 rotazioni al minuto, mantenendo ogni altra condizione esattamente uguale. Hanno lavorato in una stanza controllata con livelli specifici di temperatura e umidità per garantire che l'aria stessa non interferisse con i risultati. Utilizzando un solvente che evapora rapidamente e un processo di riscaldamento specifico, hanno guidato il liquido a trasformarsi in cristalli solidi sul vetro.

I risultati hanno rivelato che la relazione tra velocità e qualità non è una linea retta. I ricercatori hanno scoperto che ruotare il vetro troppo lentamente o troppo velocemente portava entrambi a cristalli disordinati e imperfetti. La velocità più bassa lasciava il liquido troppo denso, causando un'asciugatura irregolare. La velocità più alta spazzava via il liquido così rapidamente che i cristalli non riuscivano a crescere abbastanza grandi. Il punto ottimale è stato individuato a 3.000 rotazioni al minuto. A questa velocità specifica, i cristalli sono cresciuti fino alla loro dimensione massima, misurando circa 22,73 nanometri di larghezza, e la tensione interna all'interno del materiale era al minimo. Ciò ha creato il film più ordinato e di alta qualità tra tutti i campioni testati. Il team ha confermato questo risultato esaminando il film con i raggi X, che hanno mostrato una struttura cristallina perfetta senza residui di materie prime.

Una volta identificato il miglior film, i ricercatori volevano sapere come questa qualità fisica si sarebbe tradotta in potenza elettrica. Hanno utilizzato una simulazione al computer per costruire una cella solare virtuale utilizzando le esatte proprietà dei film che avevano realizzato. La simulazione ha mostrato che il film ruotato a 3.000 rpm, che presentava un gap energetico leggermente inferiore per l'assorbimento della luce, performava leggermente meglio degli altri. In questo test virtuale, il prototipo migliore ha raggiunto un'efficienza del 16,67 percento. Tuttavia, i ricercatori non si sono fermati lì. Hanno utilizzato la simulazione per chiedersi cosa sarebbe successo se avessero potuto risolvere altri problemi nel dispositivo, come rendere gli strati più spessi o ridurre i minuscoli difetti che intrappolano l'elettricità. Quando hanno ottimizzato questi fattori nel modello al computer, l'efficienza prevista è balzata al 25,38 percento.

Questo studio evidenzia che, sebbene la velocità del processo di rotazione sia critica per creare buoni cristalli, è solo il primo passo. I ricercatori hanno dimostrato che il miglior film fisico non garantisce automaticamente la migliore cella solare, ma fornisce la base essenziale. I modelli al computer hanno mostrato che, per raggiungere i massimi livelli di potenza possibili, è necessario anche gestire attentamente lo spessore degli strati e minimizzare le minuscole imperfezioni all'interno del materiale. Il lavoro conferma che realizzare celle solari in aria normale è possibile se il processo è strettamente controllato, e fornisce una chiara tabella di marcia su come passare da un semplice campione di laboratorio a un dispositivo altamente efficiente. I risultati suggeriscono che il futuro di queste celle solari non risiede solo nel trovare nuovi materiali, ma nel padroneggiare i dettagli precisi e quotidiani di come essi vengono costruiti.