La distinzione, in questa occasione, deriva da un gesto che appare insignificante ma che in realtà modifica radicalmente la situazione: estrarre i cristalli mentre sono ancora caldi, prima che la loro struttura inizi a deformarsi. Da questo punto prende avvio il lavoro di un team guidato da Aditya Mohite presso la Rice University, che, in collaborazione con altri istituti di ricerca, ha sviluppato una nuova perovskite 2D molto simile a un cristallo “ideale”. In questo materiale, gli eccitoni, ovvero le eccitazioni generate dalla luce assorbita, riescono a percorrere oltre 2 micrometri senza perdere energia.
Per un sistema di tale tipo, e a temperatura ambiente, si tratta di un progresso raro e significativo, con prestazioni nel trasporto dell’energia circa dieci volte superiori rispetto a quelle osservate finora nelle perovskiti bidimensionali, allineandosi a quelle dei dicalcogenuri di metalli di transizione monostrato, materiali 2D già molto apprezzati per sensori ultrasensibili e circuiti integrati.
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Per anni, il limite delle perovskiti 2D è stato una struttura eccessivamente fragile
Le perovskiti alogenuri metallici bidimensionali sono materiali ibridi, composti da una parte organica e una inorganica. Presentano caratteristiche interessanti per l’optoelettronica, ma portano con sé una nota fragilità strutturale: la loro rete cristallina tende a piegarsi, distorcersi e a formare trappole in cui l’energia rimane intrappolata. In questo caso, il gruppo ha lavorato ispirandosi alla fase cubica della FAPbI3, ottenendo composti stratificati a base di formamidinio con simmetria quasi massima, all’interno di uno schema tetragonale P4/mmm e senza le consuete distorsioni degli ottaedri. È in questo contesto che il materiale compie un passo avanti.
La svolta è giunta anche grazie al metodo di crescita. I cristalli sono stati estratti a temperature più elevate, bloccando la configurazione desiderata prima della trasformazione che di solito accompagna il raffreddamento. Questo approccio ha aperto la strada a forme più spesse e multilayer. Isaac Metcalf, coautore dello studio insieme a Jared Fletcher, spiega che finora, con la configurazione chimicamente stabile basata sul formamidinio, era possibile collegare due strati di perovskite; ora si arriva a tre strati o più. Anche l’aspetto dei cristalli riflette bene la transizione: al microscopio si osserva un passaggio da forme aghiformi a blocchi più compatti, mentre il colore cambia dal rosso intenso al nero man mano che il quantum well si espande e il band gap si riduce.
Maggiore spessore, un band gap più utile e una via concreta verso il tandem
Quello spessore aggiuntivo è significativo, poiché modifica l’interazione con la luce. Gli strati risultano più ravvicinati, con distanze interlayer di circa 4 angstrom, e il band gap ottico scende nella fascia 1,7-1,8 eV. Tradotto in termini più semplici: il materiale è in grado di catturare una porzione più ampia dello spettro solare. Nelle celle solari tandem, dove due o più materiali vengono sovrapposti per ottimizzare l’assorbimento delle diverse energie della luce, un componente con un band gap ampio e stabile rappresenta uno dei punti più critici. Faiz Mandani, coautore dello studio, afferma che proprio in questo contesto questa perovskite 2D può rivelarsi interessante, poiché combina una maggiore stabilità con un band gap considerato quasi ideale per lavorare in sinergia con il silicio o altre perovskiti e semiconduttori.
I ricercatori hanno già effettuato un primo test su dispositivi fotodetettori autoalimentati, ovvero componenti in grado di convertire la luce in segnale elettrico. I risultati del prototipo hanno superato quelli ottenuti con un’altra perovskite 2D: maggiore sensibilità, risposta più rapida, vantaggi ancora più evidenti quando i film diventano più spessi. Da qui, il raggio d’azione si espande facilmente a tutta la gamma di dispositivi optoelettronici, e anche a potenziali applicazioni quantistiche, dove il trasporto efficiente dell’energia e la qualità della struttura fanno una differenza tangibile.
fonte: Nature
