Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

Nel mondo dell'energia solare, gli scienziati cercano da tempo materiali che possano catturare la luce solare e trasformarla in elettricità in modo più efficiente rispetto agli attuali pannelli al silicio. Per anni, una famiglia di materiali noti come perovskiti ha mostrato grande promessa, ma molti dei migliori esecutori contengono piombo, un metallo tossico che pone rischi ambientali e per la salute. Ciò ha spinto i ricercatori a cercare alternative prive di piombo e più sicure che possiedano comunque la stessa capacità di condurre cariche elettriche. Tra i candidati più promettenti figurano i composti realizzati con il bismuto, un metallo molto meno tossico. Tuttavia, il semplice scambio del piombo con il bismuto cambia il modo in cui il materiale si comporta. Per rendere utili questi nuovi materiali, gli scienziati devono capire esattamente come l'elettricità si muove attraverso di essi, come assorbono la luce e come sono disposti le loro strutture cristalline interne. La sfida risiede nel fatto che questi materiali sono complessi; le loro prestazioni dipendono fortemente dagli atomi specifici utilizzati per costruirli e da come vengono fabbricati i loro sottili strati.

Un team di ricercatori provenienti da università della Slovenia e della Macedonia ha intrapreso un'indagine su due versioni specifiche di questi materiali a base di bismuto. Si sono concentrati su composti in cui gli atomi di bismuto e iodio sono accoppiati con metilammonio o formamidinio, che sono piccole molecole organiche che agiscono come spaziatori strutturali all'interno del cristallo. I ricercatori hanno creato questi materiali in laboratorio, prima facendoli crescere come cristalli solidi e poi trasformandoli in film molto sottili e uniformi su vetrini di vetro, un processo essenziale per trasformarli in celle solari. Esaminando attentamente questi film, il team mirava a determinare le loro proprietà ottiche, come quanta energia è necessaria per liberare un elettrone, e il loro comportamento elettrico, specificamente quanto facilmente le cariche possono muoversi attraverso il materiale a diverse temperature.

Il team ha iniziato confermando di aver creato con successo le corrette strutture chimiche. Utilizzando la diffrazione di raggi X, una tecnica che rivela la disposizione degli atomi facendo rimbalzare i raggi X su un campione, hanno verificato che i cristalli formavano i modelli attesi. Hanno anche esaminato i film sotto potenti microscopi per controllare la qualità della superficie. Le immagini hanno mostrato che entrambi i tipi di film erano lisci e continui, senza grandi lacune o crepe, il che è fondamentale affinché un dispositivo funzioni bene. Una sottile differenza è emersa: il film realizzato con le molecole di formamidinio appariva leggermente più regolare e ordinato sulla superficie rispetto a quello realizzato con il metilammonio, suggerendo che la dimensione e la forma della molecola organica influenzino il modo in cui il cristallo si assesta durante la produzione. L'analisi chimica ha confermato che il rapporto tra gli atomi di bismuto e iodio era esattamente come previsto, garantendo che i materiali fossero puri e privi di impurità indesiderate.

Successivamente, i ricercatori hanno misurato come questi film interagiscono con la luce. Quando la luce colpisce un materiale, può essere assorbita se la luce trasporta energia sufficiente per spingere un elettrone in uno stato in cui può muoversi e trasportare una corrente. Il team ha scoperto che entrambi i materiali assorbono molto bene la luce, in particolare nelle parti blu e verdi dello spettro visibile, conferendo ai film un distintivo colore arancione o rosso scuro. Analizzando i dati di assorbimento, hanno calcolato il band gap (lacuna di energia), ovvero la quantità minima di energia necessaria per liberare un elettrone. Hanno determinato che la versione con metilammonio ha un band gap di 1,98 elettronvolt, mentre la versione con formamidinio ha un gap leggermente più piccolo di 1,74 elettronvolt. Questa differenza è significativa perché un gap più piccolo permette al materiale di raccogliere una gamma più ampia di luce solare. I dati hanno indicato che entrambi i materiali si comportano come semiconduttori indiretti, un tipo specifico di comportamento in cui il movimento degli elettroni comporta un cambiamento di quantità di moto, rendendo il processo leggermente più complesso rispetto ai semiconduttori diretti.

Per capire come l'elettricità viaggi effettivamente attraverso questi film, il team ha eseguito la spettroscopia di impedenza, un metodo che misura come il materiale resiste al flusso di corrente elettrica attraverso un ampio intervallo di frequenze e temperature. Hanno osservato che all'aumentare della temperatura, la resistenza del materiale diminuiva, un comportamento tipico dei semiconduttori dove il calore aiuta a liberare i portatori di carica. Le misurazioni hanno rivelato che il movimento dell'elettricità non è fluido e continuo, ma avviene attraverso un meccanismo di "hopping" (salto). In questo processo, le cariche saltano da un punto localizzato all'altro, superando piccole barriere energetiche lungo il percorso. I ricercatori hanno calcolato che l'energia necessaria per questi salti è di circa 0,5 elettronvolt per entrambi i materiali. Questo valore è superiore a quanto si osserva tipicamente nei perovskiti a base di piombo, suggerendo che, sebbene i materiali a base di bismuto siano più sicuri, attualmente muovono le cariche più lentamente.

Lo studio ha inoltre svelato dettagli su dove risieda la resistenza all'interno del materiale. I segnali elettrici hanno indicato che i confini tra i piccoli cristalli, o grani, che compongono il film sono più resistivi rispetto ai grani stessi. Ciò significa che il percorso di minor resistenza è spesso bloccato dalle interfacce in cui questi cristalli si incontrano. Inoltre, il rilassamento delle cariche elettriche, ovvero la velocità con cui rispondono a un campo variabile, non seguiva un modello semplice e uniforme. Al contrario, le cariche esibivano una dispersione di tempi di risposta, indicando un ambiente interno complesso con molti tipi diversi di ostacoli. Nonostante questi ostacoli, i ricercatori hanno confermato che i materiali possiedono le proprietà fondamentali necessarie per i dispositivi optoelettronici. Hanno concluso che, sebbene i film a base di bismuto non siano ancora efficienti quanto i loro omologhi a base di piombo, la loro stabilità e la bassa tossicità li rendono validi candidati per lo sviluppo futuro, specialmente se gli scienziati riusciranno a trovare modi per migliorare le connessioni tra i cristalli per consentire all'elettricità di fluire più liberamente.