Perovskiti -approfondimento
Approfondimento sulle applicazioni delle perovskiti nel campo dell’energia solare

L’Aquila, 10 giu – Ricercatori dell’Istituto Spin-Cnr, in collaborazione con l’Università di Vienna e la North Carolina State University (Usa), hanno studiato una “perovskite” ibrida con interessanti proprietà fotovoltaiche e totalmente ecologica. La ricerca inoltre potrebbe avere come ricaduta lo sviluppo di dispositivi spin-opto-elettronici più potenti e multifunzionali. I risultati sono pubblicati su una prestigiosa rivista, col titolo completo “Tunable ferroelectric polarization and its interplay with spin-orbit coupling in tin iodide perovskites”, A. Stroppa, D. Di Sante, P. Barone, M. Bokdam, G. Kresse, C. Franchini, M.-H. Whangbo, S. Picozzi, Nature Communications, 5, 5900 (2014); doi: 10.1038/ncomms6900

Le perovskiti sono ossidi doppi, per esempio di calcio e Titanio (CaTiO3) con una struttura cristallina così particolare da poter ospitare un ampio spettro di elementi e mostrare quindi una grande varietà di proprietà fisiche. Tali elementi addizionali possono essere inorganici ma anche organici (contenere, cioè, carbonio) ed essere inseriti artificialmente.

Negli ultimi anni, grazie alla rapidissima espansione della domanda e del mercato dell’energia rinnovabile e in particolare solare fotovoltaica, anche grazie all’Italia che detiene ancora il primato dell’energia solare prodotta per abitante, si è assistito ad una rivoluzione nel campo dei nuovi materiali fotovoltaici. Tra questi le perovskiti ibride organico/inorganiche sono in grado di convertire il 20% dell’energia solare in energia elettrica. L’aspetto negativo è che contengono piombo, materiale nocivo per la salute e l’ambiente. Ora un team internazionale che coinvolge l’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Spin-Cnr) dell’Aquila ha segnato un importante passo avanti, attraverso uno studio teorico computazionale sulle perovskiti ecologiche.

Perovskite-Magnetite
La perovskite, semiconduttore policristallino il cui impiego nel campo dell’energia solare è molto recente

Il nostro studio era mirato a cercare un’alternativa sostenibile sia alle celle solari fatte di silicio, i cui costi sono elevati [ma molto diminuiti negli ultimi anni, NdR] a causa dei complessi metodi di fabbricazione, sia alle perovskiti ibride finora studiate, meno costose ma tossiche per l’uomo e per l’ambiente per via del piombo in esse contenuto”, spiega Alessandro Stroppa, fisico Spin-Cnr. “Nelle nostre simulazioni al computer, abbiamo studiato una nuova perovskite ibrida promettente in ambito fotovoltaico, e non contenente piombo. Impiegando queste perovskiti per convertire energia solare in elettrica, avremmo quindi energia doppiamente pulita, da una parte perché solare e, dall’altra, perché ottenuta con un composto non contenente piombo”.

I ricercatori sottolineano altre proprietà interessanti di questo materiale che riguardano la sua struttura elettronica. “La struttura di queste ‘perovskiti’ è un ibrido formato da una parte inorganica intercalata con molecole organiche, che, a loro volta, posseggono un dipolo elettrico”, prosegue Silvia Picozzi, coordinatore del gruppo Spin-Cnr. “Il nostro studio teorico mostra che questi dipoli possono ordinarsi e dar luogo ad una polarizzazione elettrica che aiuta le cariche foto-generate a separarsi, influenzando positivamente l’attività fotovoltaica, che risulta così potenziata”.

Inoltre ci siamo focalizzati sui gradi di libertà di spin [modalità di rotazione di particelle, atomi e molecole, NdR], un aspetto finora poco studiato in questi materiali, scoprendo una particolare geometria della cosiddetta ‘spin-texture’, che risulta controllabile con un campo elettrico esterno. In questo materiale si potrebbe quindi sfruttare questa nuova funzionalità di spin e ottenere dispositivi multifunzionali efficienti e versatili. Queste peculiari proprietà sarebbero ad esempio potenzialmente eccellenti per lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi spin-opto-elettronici (strumenti che convertono segnali elettrici in segnali ottici – fotoni – e viceversa, come i Led)”, conclude Stroppa.

Francesco Meneguzzo

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