Pannelli solari e LED sono tra le possibili applicazioni delle perovskiti. Credit: mipan/ Stock / Getty Images Plus.
Un gruppo di ricercatori in Italia ha trovato un modo per regolare finemente le proprietà delle perovskiti stratificate, un gruppo di cristalli che potrebbero sostituire il silicio nelle celle solari, nei diodi emettitori di luce (LED) e in molte altre applicazioni, a condizione che il loro comportamento venga reso più prevedibile.
Le perovskiti prendono il nome da un minerale scoperto in Russia nel 1839, con il quale condividono la stessa struttura cristallina di base. Quelle stratificate, composte da una successione di strati inorganici e organici, sono particolarmente promettenti per le celle fotovoltaiche e come sorgenti luminose. La parte inorganica, fatta di materiali semiconduttori, è molto efficiente nell'assorbire la luce solare e trasformarla in elettricità, mentre gli strati organici proteggono la struttura dall'umidità. Sono anche materiali più facili ed economici da produrre rispetto al silicio, attualmente usato per le celle solari. E le possibili applicazioni comprendono anche i LED (dove le perovskiti possono essere utilizzate per emettere luce, piuttosto che assorbirla) e sensori e componenti per la robotica.
Esistono molti modi possibili per creare perovskiti stratificate, usando diversi elementi chimici per le parti organiche e inorganiche. Gli scienziati vorrebbero avere a disposizione un manuale che indichi la scelta migliore per ogni applicazione, e dica come un cambiamento nella composizione chimica influisce sulle proprietà del materiale.
In uno studio1 pubblicato su Advanced Materials, Milena P. Arciniegas dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova e i suoi colleghi hanno iniziato a scrivere quel manuale. Hanno usato piombo e bromo per lo strato inorganico, e hanno provato diverse ammine (una classe di composti a base di azoto, idrogeno e carbonio) per la parte organica. "È come una torta millefoglie", dice Arciniegas. "Gli strati di crosta tengono insieme la torta, ma sono gli strati di crema danno il sapore." In questo caso, la crema è lo strato organico e il sapore è il colore dell'emissione di luce.
La maggior parte delle perovskiti a base di bromo emette luce blu, ma i ricercatori ipotizzavano che, modificando il modo in cui gli atomi di idrogeno nelle ammine si legano al semiconduttore, fosse possibile ottenere altri colori dallo stesso materiale. "Abbiamo lavorato con scienziati computazionali e abbiamo chiesto loro di aiutarci a prevedere in che modo un cambiamento nel sito di ancoraggio avrebbe influito sull'emissione di luce, e in che modo la lunghezza della molecola avrebbe influito sulla robustezza e sull'efficienza del materiale", spiega Arciniegas.
Hanno quindi ristretto la ricerca a tre famiglie di ammine con diversi legami idrogeno, e hanno utilizzato i risultati della simulazione per guidare gli esperimenti. Alla fine, sono riusciti a creare una nuova serie di perovskiti stratificate con emissione blu, gialla e bianca. Il tutto a temperatura ambiente, utilizzando molecole relativamente semplici e solventi ecocompatibili, il che è di buon auspicio per la produzione futura. "Questo è un primo passo, ma mostra un metodo per rendere la progettazione di questi materiali più sistematica, e la libreria di possibili composti da utilizzare è enorme", spiega Arciniegas. Altre molecole organiche, ad esempio, cambierebbero il modo in cui il materiale conduce l'elettricità, o lo renderebbero pieghevole.
Il team prevede ora di esplorare altri materiali per la parte organica, e di cercare sostituti altrettanto efficienti ma meno tossici del piombo per quella inorganica.
