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 a basso costo ad alta efficienza si basano su semiconduttori di perovskite alogenuro 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 del tutto chiara.
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 Berlino ha dimostrato il controllo 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 del reticolo ultraveloce, che potrebbe contribuire a un meccanismo di protezione dinamica per l’elettricità oneri. Questo controllo preciso sui movimenti di torsione atomica consentirà di creare nuove proprietà del materiale 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 di 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, i cosiddetti Terahertz (THz). “Questo campo THz è così forte e così veloce che può 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 eseguito gli esperimenti.
Con questo approccio, i ricercatori osservano un movimento concertato del reticolo cristallino, costituito principalmente dall’inclinazione avanti e indietro dei blocchi ottaedrici della gabbia inorganica. Queste vibrazioni non linearmente eccitate possono portare a – finora trascurati – effetti di schermatura di ordine superiore, contribuendo a un meccanismo di protezione dei portatori 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”, chiarisce il dott. Sebastian Maehrlein, leader del progetto di ricerca internazionale. Così, invece della messa a punto chimica statica delle proprietà dei materiali, entra in gioco la progettazione dinamica ultraveloce dei materiali: “Poiché ora possiamo modulare questi angoli di torsione con un singolo ciclo di luce THz”, riassume il dott. 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 progettare i materiali energetici del futuro.
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