Le celle solari a perovskite continuano a essere al centro della ricerca come alternativa a basso costo e ad alta efficienza al silicio. Uno dei principali limiti resta però la presenza di difetti nei film di perovskite, che ostacolano il trasporto di carica e riducono sia l’efficienza sia la stabilità operativa dei dispositivi. Ora un nuovo studio condotto dal Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) mostra per la prima volta, in modo diretto e tridimensionale, come i trattamenti di passivazione migliorino il comportamento elettrico interno di questi materiali.
Come funziona l’imaging elettrico tridimensionale
Il cuore dello studio, pubblicato sulla rivista Newton, è l’utilizzo della tomographic conductive atomic force microscopy (TC-AFM), una variante della microscopia a forza atomica che consente di misurare la conducibilità locale. La tecnica prevede la rimozione sequenziale di strati ultrafini del film di perovskite: a ogni profondità viene misurata la risposta elettrica locale, costruendo progressivamente una mappa dettagliata del trasporto di carica.
Sovrapponendo queste misure, i ricercatori sono riusciti a ricostruire una mappa tridimensionale del comportamento elettrico del materiale. A differenza delle tecniche tradizionali, che analizzano solo la superficie o forniscono informazioni mediate su larga scala, il TC-AFM permette di osservare direttamente cosa accade all’interno del film, rivelando come e dove i portatori di carica incontrano ostacoli.
Questa capacità è cruciale per valutare l’efficacia dei trattamenti di passivazione, che consistono nell’aggiunta di sali semplici o molecole organiche in grado di legarsi ai difetti del reticolo cristallino, impedendo loro di interferire con il flusso elettrico.
Cosa rivela la passivazione nei film di perovskite
Applicando l’imaging 3D a film trattati con diverse strategie di passivazione, il team ha osservato differenze nette nel comportamento elettrico interno. I film non trattati mostrano ampie regioni a bassa conducibilità, che ostacolano il trasporto di carica e favoriscono le perdite energetiche.
La passivazione di volume (bulk passivation) riduce in modo significativo queste aree resistive all’interno del film, in particolare lungo i bordi di grano, noti per essere punti critici per la ricombinazione dei portatori. Al contrario, la passivazione superficiale migliora soprattutto la conducibilità vicino all’interfaccia superiore del film, un aspetto determinante per l’integrazione del materiale nei dispositivi fotovoltaici.
Secondo quanto riportato da Eurekalert, il risultato più rilevante emerge però dalla combinazione delle due strategie: i film sottoposti sia a passivazione di volume sia a passivazione superficiale presentano percorsi conduttivi più uniformi e continui, con le residue regioni a bassa conducibilità confinate prevalentemente alla superficie. Secondo Xiao Chuanxiao, autore corrispondente dello studio, “queste caratteristiche elettriche microscopiche sono strettamente correlate alle prestazioni finali delle celle solari, stabilendo un legame diretto tra il trasporto di carica tridimensionale nel film e l’efficienza complessiva del dispositivo”.
La possibilità di osservare direttamente la migrazione dei portatori di carica in tre dimensioni offre così uno strumento potente per valutare e ottimizzare i trattamenti di passivazione, aprendo la strada alla progettazione razionale di materiali a perovskite di qualità superiore e a dispositivi fotovoltaici più efficienti e stabili.
