Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation
Questo studio dimostra la sintesi controllata di nanocristalli di perovskite Cs3Bi2I9 privi di piombo tramite un metodo di riprecipitazione assistita da ligandi a flusso continuo, che risulta in film sottili con un bandgap di 1,8 eV e dispositivi fotovoltaici che raggiungono un'efficienza di conversione di potenza dello 0,5%.
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La tecnologia dell'energia solare si è a lungo affidata a una classe di materiali chiamati perovskiti, che sono cristalli capaci di catturare la luce solare e trasformarla in elettricità con un'efficienza straordinaria. Le versioni tradizionali di questi materiali contengono spesso piombo, un metallo tossico che pone rischi ambientali e sanitari, limitandone l'uso diffuso. Gli scienziati hanno cercato un'alternativa più sicura che mantenga le alte prestazioni ma elimini il pericolo. Un candidato promettente è un composto fatto di bismuto, un metallo comune presente in tutto, dai cosmetici agli estintori, accoppiato con iodio e cesio. Questo materiale privo di piombo, noto come , è stabile e non tossico, ma è stato difficile fabbricarlo in modo da produrre film di alta qualità adatti alle celle solari. La sfida risiede nel controllare come si formano i minuscoli cristalli; se crescono troppo velocemente o in modo disomogeneo, la cella solare risultante non può muovere l'elettricità in modo efficiente.
I ricercatori del Solar Energy Research Institute in Malesia si sono posti l'obiettivo di risolvere questo enigma di fabbricazione cambiando il modo in cui mescolano gli ingredienti. Invece di mescolare i prodotti chimici in un becher standard e lasciarli riposare, hanno utilizzato un reattore a flusso continuo, un sistema che spinge i precursori liquidi attraverso un canale stretto dove si mescolano e reagiscono in condizioni precise. Il team si è concentrato su una singola variabile: il tempo che la miscela trascorre all'interno di questo canale, noto come tempo di residenza. Hanno testato tre diverse durate per vedere come la lunghezza della reazione influenzasse il cristallo finale. Regolando questa tempistica, miravano a guidare la crescita dei cristalli affinché fossero più grandi, più uniformi e con meno difetti interni, elementi essenziali per catturare la luce e trasportare la carica elettrica.
I risultati hanno dimostrato che il tempo era effettivamente il fattore critico. Quando la miscela fluiva attraverso il reattore per soli venti secondi, i cristalli risultanti erano piccoli, irregolari e raggruppati tra loro. Questi tempi di reazione brevi non permettevano agli atomi di avere abbastanza opportunità per disporsi in una struttura ordinata. Man mano che i ricercatori aumentavano il tempo a quaranta secondi, i cristalli iniziavano a migliorare, diventando più uniformi. Tuttavia, i risultati migliori si ottennero quando la miscela fu lasciata fluire per sessanta secondi. A questa durata, i cristalli crebbero in strutture simili a fogli ben definite, significativamente più grandi e più perfettamente disposte rispetto a quelle prodotte in tempi più brevi. Il team lo ha confermato esaminando il materiale sotto potenti microscopi e utilizzando la diffrazione di raggi X, una tecnica che rivela l'ordine interno di un cristallo. I campioni di sessanta secondi mostravano il più alto livello di ordine strutturale, con meno difetti che potevano intrappolare o disperdere l'energia elettrica.
Questo miglioramento strutturale si è tradotto direttamente in una migliore prestazione quando il materiale è stato trasformato in una cella solare. I ricercatori hanno costruito piccoli dispositivi utilizzando i cristalli prodotti con tempi diversi, inserendoli tra strati di altri materiali per creare un percorso per il flusso di elettricità. Le celle realizzate con i cristalli da sessanta secondi hanno ottenuto le prestazioni migliori, generando una tensione di 0,73 volt e una densità di corrente di . Sebbene l'efficienza complessiva di conversione della luce solare in elettricità fosse modesta allo 0,50 percento, questo rappresentava un miglioramento significativo rispetto alle celle realizzate con il processo più veloce di venti secondi, che esibivano un rapido declino della densità di corrente all'aumentare della tensione. Questo comportamento rifletteva un cattivo trasporto di carica e alte perdite di ricombinazione derivanti da una cristallizzazione insufficiente e un'alta densità di difetti. Anche i dispositivi da sessanta secondi hanno mostrato un fattore di riempimento molto più elevato, una misura di quanto efficacemente la cella eroghi energia, raggiungendo il 77,6 percento. Ciò indica che la crescita lenta e controllata ha permesso al materiale di formare un film di alta qualità capace di muovere l'elettricità in modo molto più fluido.
Lo studio ha anche esaminato la stabilità di questi nuovi cristalli al calore. Utilizzando l'analisi termica, i ricercatori hanno scoperto che il materiale rimane stabile fino a circa 450 gradi Celsius prima di iniziare a degradarsi. Questa elevata stabilità termica è un grande vantaggio rispetto ad altri tipi di materiali solari che si degradano a temperature molto più basse, suggerendo che questi cristalli a base di bismuto potrebbero resistere al calore generato durante il normale funzionamento o la produzione. Il team ha concluso che controllare il tempo che i prodotti chimici trascorrono reagendo in un reattore a flusso è un modo potente per modulare la qualità dei materiali solari privi di piombo. Sebbene i numeri di efficienza non siano ancora pronti per alimentare una casa, il lavoro dimostra un percorso chiaro da seguire: rallentando il processo quanto basta, gli scienziati possono indurre questi cristalli sicuri e privi di piombo a formare le strutture di alta qualità necessarie per la prossima generazione di energia solare.
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