In questa proposta di progetto si intende realizzare una serie di celle solari a perovskite (PSK) nella configurazione invertita p-i-n e caratterizzarne le proprietà fotoelettrochimiche, strutturali e spettroscopiche allo scopo di ottimizzare la stabilità del dispositivo risultante. Si parte da nuove formulazioni per il semiconduttore di tipo p (scp), per lo strato fotoattivo di PSK, e gli interlayer (IL, isolanti ionici) tra PSK e scp che vengono inseriti per migliorare il trasferimento di carica elettronica interfacciale e la stabilità chimica del dispositivo. Le nuove formulazioni di scp si otterranno col doping chimico ed elettrochimico di NiO preformato per modularne le proprietà elettroniche senza però alterare criticamente la struttura cristallina. Da questo studio composizionale si attende un miglioramento delle caratteristiche di trasporto elettrico attraverso scp, e di fotoiniezione attraverso l'interfaccia scp/PSK rispetto al benchmark costituito da scp non modificato (senza dopante) e con PSK = ioduro (I-) di metilammonio (MA) e piombo [Pb(II)] (MAPI). Per la variazione della composizione di PSK si considera l'utilizzo di differenti miscele di precursori contenenti ioni con valenza e raggio ionico analoghi a I-, Pb(II) e MA per preservare la struttura a perovskite del MAPI. Inoltre, da questo studio si attende anche un miglioramento della stabilità chimica dell'interfaccia scp/PSK rispetto al benchmark. Una volta ottimizzata l'interfaccia scp/PSK in termini di stabilità il passo successivo sarà l'introduzione e la modifica dell'interstrato fra scp e PSK per l'ulteriore aumento della stabilità chimica del dispositivo. L'analisi strutturale e spettroscopica di PSK verrà condotta quando PSK è nella configurazione di film sottile, i.e. come si trova nei reali dispositivi fotovoltaici assemblati, nel tentativo di realizzare una caratterizzazione di PSK sia in situ che in operando all'interno della serie di dispositivi considerata.
L'attività ricerca qui proposta ha un forte carattere innovativo in quanto l'applicabilità dei risultati ottenuti potrebbe potenzialmente portare alla commercializzazione finale di un dispositivo fotovoltaico a PSK (di basso costo e non ancora disponibile sul mercato) con un enorme impatto sulla diffusione di sistemi non tradizionali e, soprattutto, non convenzionali di conversione dell'energia solare in elettricità.
Ci si attende che la ricerca qui proposta (che è appunto ispirata da finalità di tipo prevalentemente applicativo) porti anche ad un consistente avanzamento della scienza dei materiali connessa allo sviluppo di celle solari a PSK, in particolare quelle ad architettura invertita p-i-n, caratterizzate dalla maggior stabilità temporale e riproducibilità di risultati rispetto a quelle di tipo n-i-p. Infatti, la proposta di ricerca tenta di arrivare all'identificazione dei fenomeni microscopici che limitano la stabilità temporale della risposta in fotoconversione per i dispositivi in esame variando la composizione chimica dei materiali di interfaccia PSK/HTL. La conoscenza dello stato dell'arte in merito a questo tipo di studi ha mostrato chiaramente che i fenomeni microscopici causanti la degradazione del dispositivo sono specifici della combinazione di interfaccia PSK/HTL (o PSK/ETL), e sono tra i più disparati (migrazione, auto-arrangiamenti strutturali, segregazione, ingresso di acqua atmosferica, reattività redox di PSK e/o HTL-ETL in condizioni ambiente etc.). Pertanto le conclusioni già tratte da tale tipo di studi per una configurazione di cella a PSK non possono essere generalizzate nemmeno in quei casi in cui nelle celle si modula, seppur minimamente, la composizione chimica di PSK e HTL. Questo perché si assiste a forti cambiamenti delle caratteristiche chimico-fisiche, di crescita, delle proprietà strutturali ed elettroniche per i materiali costituenti l'interfaccia fotoattiva PSK/HTL (o PSK/ETL) anche a seguito di piccole variazioni composizionali (come nel caso di un drogaggio), data la natura prevalentemente semiconduttiva di questi materiali.
La conoscenza di questi fenomeni degradativi in celle p-i-n con nuova formulazione chimica di interfaccia PSK/HTL impone l'utilizzo delle tradizionali tecniche di registrazione della risposta in fotoconversione combinate a tecniche avanzate ausiliari di carattere non invasivo e non distruttivo per l'investigazione strutturale e spettroscopica in situ ed in operando dei materiali di interfaccia fotoattiva. Tali tecniche (complementari e applicate simultaneamente a quelle fotoelettrochimiche) devono consentire l'applicazione del loro stimolo sul materiale di interfaccia (PSK e/o HTL) quando il materiale é nella configurazione attualmente operativa nella cella, affinché la misura si possa realizzare nelle modalità in situ ed in operando come richiesto. L'impiego concomitante di tecniche fotoelettrochimiche da un lato e di tecniche di caratterizzazione in situ strutturale/spettroscopica dall'altro, rappresenta di per sé un avanzamento della conoscenza su come approntare un esperimento multi-responsive (e richiedente competenze multi-disciplinari), che rilevi selettivamente le caratteristiche di uno o più strati (o di una particolare interfaccia), quando il sistema é formato da una sequenza di film sottili come nel caso di una cella solare a PSK. Ci si attende che la disponibilità dell'idonea strumentazione presso i centri ricerca Sapienza coinvolti (Dipartimenti di Chimica e Fisica, CNIS) e presso le strutture altamente qualificate che parteciperanno fuori ambito Sapienza (Università di Palermo e di Roma TOR VERGATA) possa consentire la realizzazione di tali esperimenti complessi grazie alla competenza specifica dei vari partecipanti (vedere riquadri seguenti).