Solfuro di bismuto, il meccanismo che rallenta la perdita delle cariche

Il solfuro di bismuto potrebbe offrire un modo per combinare un forte assorbimento della luce con una perdita più lenta delle cariche elettriche. Il meccanismo è stato individuato da uno studio guidato dall’Università di Oxford e pubblicato su Nature: il risultato riguarda però il comportamento fisico del materiale, non una cella solare già pronta.

La ricerca affronta un compromesso che interessa i semiconduttori impiegati per raccogliere la luce. Quando questi materiali assorbono energia, liberano elettroni e lasciano lacune con carica positiva. Per produrre elettricità, le cariche devono essere raccolte prima che elettroni e lacune si incontrino e si annullino, disperdendo l’energia trasportata.

In genere, i semiconduttori capaci di assorbire la luce più intensamente tendono anche a perdere le cariche più rapidamente. Nel solfuro di bismuto, invece, i ricercatori hanno osservato una disposizione dei livelli energetici che sembra rallentare questo processo senza sacrificare l’intensità dell’assorbimento.

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Un serbatoio temporaneo per le cariche

Il materiale assorbe la luce principalmente attraverso un forte percorso tra livelli energetici. Poco più in basso si trova un secondo percorso, molto più debole, attraverso il quale le cariche si perdono lentamente. Poiché i due percorsi sono energeticamente vicini, le cariche trascorrono molto tempo negli stati a energia inferiore, che agiscono come un serbatoio temporaneo.

Questo comportamento corrisponde al modello di un semiconduttore pseudodiretto. Secondo la stima del team, a temperatura ambiente la particolare configurazione del solfuro di bismuto riduce di circa il 75% la velocità di perdita delle cariche rispetto a materiali convenzionali con un’analoga intensità di assorbimento della luce.

Laura Herz, autrice corrispondente dello studio, ritiene che il risultato mostri come il compromesso tra forte assorbimento e ricombinazione rapida non sia inevitabile. La struttura elettronica osservata potrebbe quindi rappresentare un principio da seguire nella ricerca e nella progettazione di altri semiconduttori.

Come è stato osservato il meccanismo

I ricercatori hanno lavorato su film sottili di solfuro di bismuto, eccitandoli con impulsi laser estremamente brevi. La scomparsa delle cariche è stata poi misurata mediante spettroscopia terahertz ultraveloce, con esperimenti condotti dalla temperatura ambiente fino a valori appena superiori allo zero assoluto.

Durante il raffreddamento è emerso un comportamento opposto a quello osservato nella maggior parte dei semiconduttori: nel solfuro di bismuto le cariche si perdevano più lentamente, perché una quantità maggiore si depositava nel serbatoio energetico. I calcoli sulla struttura elettronica svolti dal gruppo della professoressa Marina Filip hanno contribuito a spiegare i risultati sperimentali.

Dalla scoperta fisica alle possibili applicazioni

Cariche più longeve avrebbero maggiori probabilità di essere raccolte e potrebbero ridurre una perdita energetica senza rinunciare al forte assorbimento della luce. Lo studio indica inoltre come prospettiva un tempo maggiore a disposizione delle reazioni chimiche necessarie a trasformare la luce solare in combustibili. Entrambe restano, tuttavia, possibili applicazioni del meccanismo e non risultati già ottenuti in dispositivi operativi.

I calcoli suggeriscono che materiali dotati della stessa proprietà potrebbero essere individuati esaminando banche dati dedicate oppure progettati. Saranno necessarie ulteriori ricerche per verificare se il meccanismo possa tradursi in tecnologie solari migliorate. Lo studio, realizzato con una collaborazione tra l’Università di Oxford e la Wuhan University, è intitolato “Delayed electron–hole recombination in a pseudo-direct semiconductor” e reca il DOI 10.1038/s41586-026-11223-x.

Una domanda per voi

Quali verifiche ritenete decisive per capire se questo meccanismo possa essere trasferito dal laboratorio a una cella solare operativa?