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Jul 13, 2023

Il vincitore del premio NSF CAREER avanza leggero, basso

Solar energy is set to play a key role in the United States reaching its goal of

L’energia solare è destinata a svolgere un ruolo chiave negli Stati Uniti per raggiungere l’obiettivo di un’economia a zero emissioni nette entro il 2050. Oltre ai pannelli solari convenzionali, costituiti prevalentemente da silicio e tellururo di cadmio, è probabile che il fotovoltaico in perovskite faccia parte la soluzione.

"Il fotovoltaico a base di perovskite è entusiasmante perché può essere stampato come i giornali e richiede solo una piccola frazione del materiale utilizzato nelle tecnologie fotovoltaiche tradizionali", ha affermato Adam Printz, professore assistente di ingegneria chimica e ambientale. "Un minore utilizzo di materiale riduce i costi e gli sprechi, il che significa che il fotovoltaico a lungo termine basato sulla perovskite rappresenta un interessante sostituto delle tecnologie attuali."

Le perovskiti sono ultrasottili - solo poche centinaia di nanometri, o circa l'1% della larghezza di un capello umano - e possono essere stampate su substrati di plastica flessibili, il che significa che potrebbero essere utilizzate in applicazioni in cui portabilità e peso sono fattori di progettazione chiave, inclusi i disastri. soccorso, aviazione, esplorazione spaziale e sensori portatili per l'assistenza sanitaria. Tuttavia, i pannelli fotovoltaici in perovskite non sono ancora commercialmente validi perché presentano ancora instabilità chimiche e meccaniche, che li fanno degradare e smettere di funzionare più rapidamente rispetto ad altre tecnologie. Cosa causa esattamente queste instabilità e come possono essere mitigate per migliorare le prestazioni della perovskite?

Con un premio alla CARRIERA di $ 500.000 da parte della National Science Foundation, Printz intende capirlo. Parallelamente, sta lavorando per lanciare una serie di video e un corso sulle energie rinnovabili per educare una nuova generazione di scienziati.

Capire perché e dove si formano i difetti

La parola "perovskite" originariamente si riferiva a un minerale, scoperto per la prima volta all'inizio del XIX secolo, con la struttura cristallina ABX3. Al giorno d'oggi, la parola è anche usata come abbreviazione per riferirsi al "fotovoltaico a base di perovskite agli alogenuri metallici", o materiali realizzati in laboratorio che hanno una struttura cristallina ABX3 e offrono proprietà come la fotoconduttività e la capacità di essere trasformati in inchiostri.

Nella struttura cristallina ABX3, A è un catione o ione caricato positivamente, B è un metallo (tipicamente piombo o stagno) e X è un alogenuro (un tipo di atomo che funziona come un anione o ione caricato negativamente). . Tutti questi vengono disciolti in un solvente per produrre un inchiostro, che può essere stampato su un substrato di plastica flessibile, in modo simile a come l'inchiostro viene stampato su un giornale. Il film risultante viene riscaldato in modo che il solvente evapori e la perovskite possa cristallizzare.

Quando il film si raffredda, la perovskite tende naturalmente a restringersi maggiormente rispetto al materiale del substrato. Tuttavia, poiché la pellicola e il substrato sono attaccati, la perovskite si restringe meno nelle aree in cui tocca il substrato. Pensa a come il centro di una rete da tennis si abbassa leggermente, perché è più vicino allo stato di riposo, ma ai lati è più alto, perché è sostenuto da pali. La differenza tra la struttura reticolare naturale della perovskite (come il centro di una rete da tennis) e la struttura a diretto contatto con il substrato (come i lati di una rete da tennis) provoca tensione, formando un gradiente di deformazione reticolare.

"Sappiamo che la tensione del reticolo è problematica e probabilmente crea instabilità", ha affermato Printz. "Sappiamo anche che in questi film è presente un gradiente di deformazione verticale, il che significa che la quantità di deformazione è diversa nella parte superiore del film rispetto alla parte inferiore. Finora nessuno ha realmente collegato questi gradienti di deformazione alla stabilità, né come questi gradienti determinano diverse densità di difetti nei film di perovskite."

Eliminazione dei difetti e modulazione della tensione

Un modo noto per mitigare questi difetti, anche se il loro comportamento non è completamente compreso, è quello di incorporare materiali organici chiamati additivi nei film di perovskite.

"Gli additivi sostanzialmente risolvono i difetti e li rimuovono dall'equazione", ha affermato Printz. "Cercheremo di utilizzare questi additivi non solo per attaccare i difetti, ma anche per consentire la modulazione della deformazione nel materiale perovskite, in modo da poter potenzialmente separare gli atomi o spingerli insieme e ottenere proprietà e stabilità diverse. "