Controllo dei reticoli cristallini dei materiali delle celle solari ibride con luce Terahertz

May 27, 2023

L'Istituto Fritz Haber della Max Planck Society, in breve FHI, è un luogo di ricerca internazionale dove scienziati provenienti da tutto il mondo indagano i principi di base alla base...

Per superare le sfide energetiche globali e combattere l’incombente crisi ambientale, i ricercatori di tutto il mondo studiano nuovi materiali per convertire la luce solare in elettricità. Alcuni dei candidati più promettenti per applicazioni di celle solari ad alta efficienza e basso costo si basano su semiconduttori di perovskite agli alogenuri di piombo (LHP). Nonostante i prototipi di celle solari da record, l’origine microscopica delle prestazioni optoelettroniche sorprendentemente eccellenti di questa classe di materiali non è ancora completamente compresa. Ora, un team internazionale di fisici e chimici del Fritz Haber Institute della Max Planck Society, dell’École Polytechnique di Parigi, della Columbia University di New York e della Free University di Berlinoha dimostrato il controllo guidato dal laser dei movimenti fondamentali del reticolo atomico LHP. Applicando un improvviso picco di campo elettrico più veloce di un trilionesimo di secondo (picosecondo) sotto forma di un singolo ciclo di luce di radiazione Terahertz nel lontano infrarosso, i ricercatori hanno svelato la risposta ultraveloce del reticolo, che potrebbe contribuire a un meccanismo di protezione dinamica per i fenomeni elettrici. spese. Questo controllo preciso sui movimenti di torsione atomica consentirà di creare nuove proprietà dei materiali di non equilibrio, fornendo potenzialmente suggerimenti per la progettazione del materiale delle celle solari del futuro.

I materiali delle celle solari ibride LHP studiati sono costituiti da un reticolo cristallino inorganico, che funge da gabbie periodiche per ospitare molecole organiche. L'interazione delle cariche elettroniche libere con questo reticolo ibrido e le sue impurità determina quanta elettricità può essere estratta dall'energia della luce solare. Comprendere questa complicata interazione potrebbe essere la chiave per una comprensione microscopica delle eccezionali prestazioni optoelettroniche degli LHP. I ricercatori del Fritz Haber Institute di Berlino e i loro colleghi internazionali sono stati ora in grado di isolare la risposta del reticolo a un campo elettrico su scale temporali più veloci di 100 femtosecondi, ovvero un decimo di trilionesimo di secondo. Il campo elettrico è stato applicato da un intenso impulso laser contenente solo un singolo ciclo di luce nel lontano infrarosso, la cosiddetta Terahertz (THz). "Questo campo THz è così forte e così veloce che potrebbe imitare il campo elettrico locale di un portatore di carica eccitato immediatamente dopo l'assorbimento di un quanto di luce solare", spiega Maximilian Frenzel, uno dei principali autori che hanno condotto gli esperimenti.

Con questo approccio, i ricercatori osservano un movimento concertato del reticolo cristallino, costituito principalmente dall’inclinazione avanti e indietro dei mattoni ottaedrici della gabbia inorganica. Queste vibrazioni eccitate non linearmente possono portare a effetti di schermatura di ordine superiore, finora trascurati, contribuendo a un meccanismo di protezione del portatore di carica spesso discusso. "Inoltre, il relativo angolo di inclinazione gioca un ruolo dominante nel determinare le proprietà fondamentali del materiale, come la fase cristallografica o il bandgap elettronico", spiega il dottor Sebastian Maehrlein, leader del progetto di ricerca internazionale. Pertanto, invece della regolazione chimica statica delle proprietà dei materiali, diventa possibile la progettazione dinamica ultraveloce dei materiali: "Poiché ora possiamo modulare questi angoli di torsione con un singolo ciclo di luce THz", riassume Maehrlein, "in futuro potremmo essere in grado di controllare le proprietà dei materiali su richiesta o addirittura scoprire nuovi stati esotici di questa classe materiale emergente." Valutando tali stati dinamici della materia, i ricercatori sperano di fornire alcuni suggerimenti per la progettazione dei materiali energetici del futuro.

- Il presente comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web del Fritz Haber Institute della Max Planck Society