Perovskite, il blu di Prussia raggiunge il 22,9% sui sottomoduli da 30 cm

Ricercatori cinesi hanno sviluppato una strategia basata sul blu di Prussia per controllare la cristallizzazione e la migrazione degli ioni nelle celle solari a perovskite. Il lavoro riporta un'efficienza di conversione del 26,9% nelle celle di piccola area, del 23,4% nei minimoduli da 6 × 6 cm e un valore certificato del 22,9% nei sottomoduli da 30 × 30 cm.

Lo studio, attribuito a Fang Cao e agli altri autori e pubblicato su Science nel 2026, affronta due problemi che possono emergere durante la fabbricazione e il funzionamento di questi dispositivi: la formazione poco controllata dei film di perovskite e il movimento degli ioni nel materiale sotto luce, calore e campi elettrici.

Il blu di Prussia come modello strutturale

Durante la formazione dei film sottili, una nucleazione incontrollata può produrre difetti strutturali, disordine nel reticolo e tensioni residue. Queste imperfezioni sono associate anche alla migrazione ionica nelle condizioni operative, un fenomeno indicato nello studio tra i fattori che limitano efficienza, stabilità e applicazione su superfici più ampie.

La soluzione sperimentata utilizza una struttura di blu di Prussia compatibile con il reticolo come modello per guidare la formazione del film. Secondo i risultati riportati, questa struttura trasforma la nucleazione omogenea incontrollata in un processo di nucleazione eterogenea più ordinato.

Il blu di Prussia sopprime inoltre la formazione degli intermedi solvatati e delle fasi δ-FAPbI3 non fotoattive, favorendo una transizione più diretta verso la fase α-FAPbI3 fotoattiva. La cristallizzazione così regolata promuove la crescita preferenziale dei cristalli lungo l'orientamento (100) e riduce significativamente la tensione reticolare tensile nei film.

Una struttura che accoglie e immobilizza gli ioni

Le analisi indicano che il blu di Prussia mantiene la propria integrità strutturale durante l'incorporazione dei cationi e i processi redox. Dopo l'introduzione degli ioni Cs+ nei suoi canali reticolari, le specie Fe3+ vengono ridotte, mentre la struttura cubica di coordinazione Fe–C≡N–Fe resta intatta e le principali distanze di coordinazione mostrano variazioni trascurabili.

Per i ricercatori, questi risultati mostrano che la struttura può accogliere e immobilizzare i cationi mobili senza perdere la propria configurazione. Il meccanismo offre così una base strutturale per regolare l'evoluzione dei difetti e contenere la migrazione ionica durante il funzionamento della cella.

Le prestazioni sono state misurate su tre dimensioni differenti. Alla PCE del 26,9% ottenuta nelle celle di piccola area si affiancano il 23,4% dei minimoduli da 6 × 6 cm e il 22,9% certificato dei sottomoduli da 30 × 30 cm. Lo studio presenta quindi risultati che vanno dalla singola cella a dispositivi di area maggiore, senza però riportare nell'input prove indipendenti o dati quantitativi sulla stabilità a lungo termine.

Le misure al sincrotrone

Il gruppo ha studiato i meccanismi attraverso tecniche basate sul sincrotrone presso la Beijing Synchrotron Radiation Facility dell'Institute of High Energy Physics della Chinese Academy of Sciences. Le misure GIWAXS in situ, condotte sulla linea 1W1A, hanno permesso di osservare la cinetica di cristallizzazione e il percorso seguito durante la formazione dei film.

L'ingegnere senior Yu Chen ha sviluppato e ottimizzato una piattaforma compatta capace di monitorare dinamicamente la deposizione della soluzione precursore, il trattamento con antisolvente e la ricottura termica in atmosfera inerte. Questa configurazione ha consentito di seguire i cambiamenti strutturali nelle diverse fasi del processo.

Sulla linea 1W1B sono invece state effettuate misure XAFS, con il contributo del ricercatore associato Pengfei An, per esaminare la chimica della coordinazione locale e ottenere spettri al bordo K del ferro. Analisi XANES, adattamento EXAFS e trasformata wavelet sono stati impiegati per caratterizzare l'ambiente locale e l'evoluzione strutturale del blu di Prussia.

Nel complesso, le osservazioni sperimentali collegano il controllo della cristallizzazione alla capacità della struttura di blu di Prussia di conservare la propria configurazione e limitare il movimento dei cationi. Si tratta dei risultati riferiti dallo studio citato, che non sono stati confrontati nell'input con altre fonti indipendenti.

Una domanda per voi

Quale aspetto ritenete più rilevante per lo sviluppo dei moduli a perovskite: il controllo della cristallizzazione o quello della migrazione ionica?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.