Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Per l'ultimo mezzo secolo, gli scienziati hanno cercato un modo migliore per catturare l'energia del sole. Sebbene i tradizionali pannelli solari realizzati in silicio ci abbiano servito bene, i ricercatori cercano costantemente materiali che siano più economici da produrre, più facili da fabbricare e capaci di convertire la luce solare in elettricità in modo più efficiente. Una promettente famiglia di materiali per questo compito è chiamata perovskiti. Queste sono cristalli con una struttura specifica e ripetitiva che può essere calibrata per assorbire la luce in modo molto efficace. Tuttavia, le perovskiti più famose utilizzate oggi contengono piombo, un metallo tossico che pone rischi per la salute e l'ambiente, e spesso si degradano quando esposte all'umidità o al calore. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno esplorando un tipo diverso di perovskite composta da elementi che sono abbondanti e non tossici, guardando specificamente a composti che mescolano l'ossigeno con lo zolfo. L'obiettivo è trovare un materiale che sia stabile, sicuro e che abbia la giusta capacità di assorbire la luce per alimentare la prossima generazione di celle solari.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università Autonoma di Zacatecas, in Messico, si sono posti l'obiettivo di creare e testare uno di questi nuovi materiali, un cristallo chiamato ossisolfuro di bario e titanio. Sono partiti da una polvere comune e stabile nota come ossido di bario e titanio e l'hanno sottoposta a un trattamento ad alta temperatura in un forno speciale. Invece di limitarsi a riscaldare la polvere, hanno introdotto un vapore di disolfuro di carbonio, un prodotto chimico che funge da fonte di zolfo. Riscaldando la miscela a tre diverse temperature — 600, 700 e 800 gradi Celsius — miravano a sostituire alcuni degli atomi di ossigeno nel cristallo con atomi di zolfo. I ricercatori volevano vedere come il cambiamento della temperatura avrebbe alterato la struttura interna del materiale e la sua capacità di assorbire la luce, sperando di trovare il perfetto equilibrio per le applicazioni di energia solare.

I risultati hanno dimostrato che la temperatura era la chiave per controllare la composizione del materiale. All'aumentare del calore, la quantità di zolfo nel cristallo finale è cresciuta significamente. Alla temperatura più bassa di 600 gradi Celsius, il materiale conteneva circa il 14,6 percento di zolfo in massa. Quando la temperatura è stata alzata a 700 gradi, il contenuto di zolfo è salito al 18,2 percento, e alla temperatura più alta di 800 gradi ha raggiunto il 20,2 percento. Questo spostamento non era solo una questione di aggiungere più zolfo; ha cambiato fondamentalmente la forma stessa del cristallo. Il materiale di partenza aveva una struttura tetragonale, ovvero un particolare arrangiamento geometrico degli atomi. Man mano che lo zolfo sostituiva l'ossigeno, il cristallo si trasformava lentamente in una struttura esagonale, una diversa forma geometrica che è più stabile per questo tipo di composto. I campioni trattati alle temperature più elevate sono stati i più riusciti, mostrando una struttura esagonale pulita e ben ordinata, senza tracce della forma originale rimanente.

Oltre a cambiare la forma, il trattamento termico ha migliorato la qualità dei cristalli. I ricercatori hanno misurato la dimensione dei minuscoli cristalli individuali, noti come cristalliti, e hanno scoperto che questi crescevano man mano che la temperatura aumentava. Il campione prodotto a 600 gradi aveva cristalli più piccoli e meno organizzati, mentre quello prodotto a 800 gradi aveva cristalli più grandi e perfettamente formati. Ciò suggerisce che il calore più elevato aiuti gli atomi ad auto-disporre in modo più ordinato, riducendo lo stress interno e creando un materiale più forte e uniforme. Il team ha anche analizzato i legami chimici all'interno del materiale utilizzando tecniche basate sulla luce e ha confermato che gli atomi di zolfo e ossigeno sono stati integrati con successo nel reticolo cristallino, formando i legami molecolari specifici che stavano cercando.

La scoperta più critica, tuttavia, riguardava il modo in cui il materiale interagisce con la luce. Affinché una cella solare funzioni in modo efficiente, il materiale di cui è fatta deve avere un "band gap" (banda proibita), ovvero la quantità specifica di energia necessaria per staccare un elettrone e creare una corrente elettrica. Se questo intervallo è troppo ampio, il materiale perde gran parte dell'energia solare; se è troppo stretto, spreca energia sotto forma di calore. L'intervallo ideale per le celle solari è una finestra stretta tra 1,1 e 1,7 elettronvolt. I ricercatori hanno scoperto che, semplicemente aumentando la temperatura e il contenuto di zolfo, potevano calibrare con precisione questo band gap. Il materiale prodotto a 600 gradi aveva un band gap di 1,53 elettronvolt. Man mano che aumentavano il calore a 700 e poi a 800 gradi, il band gap si restringeva a 1,51 e infine a 1,47 elettronvolt. Questo valore finale si colloca pienamente nell'intervallo ottimale per la conversione dell'energia solare.

Questo studio dimostra che è possibile progettare un nuovo materiale solare non tossico controllando attentamente la temperatura durante la sintesi. I ricercatori hanno dimostrato che potevano trasformare un comune ossido in una perovskite ricca di zolfo con una struttura cristallina e proprietà di assorbimento della luce altamente adatte alle celle solari. Sebbene il materiale non sia ancora un prodotto finito pronto per una linea di produzione, il lavoro fornisce una chiara tabella di marcia su come creare questi cristalli. Dimostrando che temperature più elevate portano a più zolfo, un migliore ordine cristallino e un band gap perfettamente calibrato per catturare la luce solare, lo studio offre una via percorribile per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologia solare pulita, efficiente e sicura.