L’efficienza del fotovoltaico ibrido nella natura polaronica del trasporto di carica

L’efficienza del fotovoltaico ibrido nella natura polaronica del trasporto di carica
 
Le peroskiti sono cristalli descritti chimicamente dalla struttura ABX3 in cui A e B sono cationi di taglia diversa mentre gli atomi X svolgono il ruolo di anioni. Nella loro realizzazione “ibrida”, in cui il catione A è una molecola organica, questi nuovi materiali accoppiano l’elevata efficienza delle classiche celle basate sul silicio, con i bassi costi di produzione e la versatilità dei semiconduttori organici, candidandosi come le prossime sorgenti di energia pulita in grado di competere con il mercato dei combustibili fossili.

La proprietà chiave alla base dell’elevata efficienza delle perovskiti ibride è rappresentata dalla capacità delle cariche foto-generate di viaggiare per lunghi tratti di spazio all’interno di questi dispositivi, con lunghezze di diffusione maggiori di 1 micrometro, una distanza enorme nell’ambito delle nanotecnologie. Grazie a questa proprietà, la carica rimane intrappolata all’interno dei dispositivi fotovoltaici abbastanza a lungo da poter essere convertita efficientemente in energia adoperabile. Un esperimento condotto nei Laboratori Femtoscopy del Dipartimento di Fisica, in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia ed il Politecnico di Milano ha svelato come il meccanismo alla base dell’elevata mobilità delle foto-cariche sia rappresentato dal particolare accoppiamento tra i gradi di libertà elettronici e vibrazionali in questi materiali.

"Abbiamo utilizzato coppie di impulsi di luce ultrabrevi per stimolare vibrazioni atomiche coerenti e studiare le conseguenti modifiche strutturali indotte nel materiale. Confrontando la risposta sotto eccitazione  ad energie del fotone inferiori e superiori rispetto alla gap elettronica, abbiamo individuato i fononi che guidano un riarrangiamento strutturale del reticolo in seguito alla generazione di foto-cariche.” spiega Tullio Scopigno, coordinatore della ricerca. “Dopo l’assorbimento di luce, la carica elettronica generata è in grado di diffondersi all’interno del cristallo, portando con sé una deformazione del reticolo degli ioni che lo compongono” aggiungono Giovanni Batignani e Giuseppe Fumero. “Questo tipo di eccitazione, che può essere rappresentato come un elettrone circondato da una nuvola di fononi, viene definita polarone. La formazione di un polarone determina a sua volta il riarrangiamento della perovskite verso una nuova struttura reticolare, la quale impedisce alle cariche di rilassare, conferendo loro un’elevata mobilità” concludono i due ricercatori.

La ricerca, appena pubblicata su Nature Communications chiarisce l’origine fisica del meccanismo di produzione delle cariche, aprendo nuove prospettive per la realizzazione di celle fotovoltaiche sempre più efficienti e adatte all’applicazione su scala industriale.