Sensori di luce cristallina

Tre istituti del settore ETH stanno conducendo ricerche sull’optoelettronica basata sulla perovskite, come celle solari, fotorivelatori e diodi a emissione luminosa (LED). In un progetto chiamato AMYS, i laboratori dell’EPFL, del Politecnico di Zurigo e dell’Empa hanno lavorato insieme negli ultimi quattro anni per esplorare nuove composizioni chimiche e metodi di produzione semplici e scalabili a basso costo.

Esistono diverse soluzioni per convertire la luce solare direttamente in elettricità. Le più note sono le celle solari al silicio, che si basano su monocristalli di silicio. Le celle solari di questo tipo sono relativamente spesse e fragili.
È emersa un’altra variante: le cosiddette celle solari a film sottile, che sono circa 100 volte più sottili delle celle di silicio cristallino. Questa struttura cellulare è flessibile e può essere depositata a vapore su substrati flessibili come pellicole di plastica o fogli metallici. Alle celle a film sottile in arseniuro di gallio (GaAs), tellururo di cadmio (CdTe) o rame, indio, gallio, solfuro e selenio (CIGS), note da tempo, si è aggiunta una nuova categoria: le perovskiti organico-inorganiche. Il termine perovskite descrive la struttura cristallina comune dei materiali di questi film sottili.

L’aspetto interessante è che le perovskiti possono essere utilizzate non solo come celle solari, ma anche, al contrario, come illuminatori o come base per fotorivelatori, ad esempio in dispositivi a raggi X o sensori per smartwatch. Per questo motivo, questa classe di materiali è attualmente oggetto di un’intensa attività di ricerca a livello mondiale. Ma c’è un problema: molti di questi cristalli di perovskite contengono ioni organici come elementi di base. Si tratta di blocchi di cristallo che contengono carbonio, azoto e idrogeno. Fondono ed evaporano a temperature molto più basse rispetto al silicio o al GaAs, al CdTe o al CIGS. Pertanto, molti metodi di produzione collaudati non sono adatti a questi materiali.

Il progetto AMYS (Advanced Manufacturability of Hybrid Organic-inorganic Semiconductors for Large Area Optoelectronics), lanciato nell’ambito dell’Area di Azione Strategica "Advanced Manufacturing" (SFA-AM), cerca di risolvere proprio questi problemi. È necessario un metodo di produzione industriale per i film sottili di perovskite, che finora sono stati prodotti principalmente con processi di wet sputtering in laboratorio.
I compiti dei partner di ricerca sono accuratamente suddivisi: il team di Ayodhya N. Il team di Ayodhya N. Tiwari e Fan Fu, specialisti di perovskite presso il Thin Films and Photovoltaics Laboratory dell’Empa, è alla ricerca di un fotorivelatore e di celle solari flessibili in perovskite; il team di Chih-Jen Shih del Nanomaterials Engineering Research Group del Politecnico di Zurigo vuole costruire LED in perovskite che producano luce con una precisione cromatica particolarmente elevata. Infine, Christophe Ballif dell’EPFL e il suo team stanno cercando celle solari tandem particolarmente efficienti, costituite da silicio sul lato inferiore e da uno strato di perovskite semitrasparente sul lato superiore.

Tutti i ricercatori hanno già svolto un lavoro preliminare: il team dell’EPFL ha stabilito un nuovo record mondiale a luglio: le celle solari dell’EPFL, realizzate in silicio cristallino spesso con un sottile strato di perovskite, hanno raggiunto un’efficienza superiore al 31%. Questo valore è già stato raggiunto con altre celle a semiconduttore, ma la loro produzione è mille volte più costosa. Questo apre la strada al fotovoltaico a basso costo. "Abbiamo sviluppato un processo in due fasi per applicare gli ingredienti organici delle nostre perovskiti in modo delicato e omogeneo a celle solari di medie dimensioni", spiega Christian Wolff, che lavora nel team dell’EPFL. "Ora vogliamo estendere questo processo a un nuovo metodo basato sul vapore secco, che consentirà da un lato di coprire in modo omogeneo superfici ancora più ampie e dall’altro di verificare se non esistano combinazioni chimiche ancora migliori".

Sebastian Siol dell’Empa lo sta aiutando in questo compito. È uno specialista dei processi di rivestimento e dell’analisi dei film sottili prodotti industrialmente. Utilizzerà esperimenti automatizzati ad alto rendimento per vagliare un gran numero di composizioni chimiche e parametri di processo diversi, con l’obiettivo di creare una "biblioteca" di miscele di perovskite promettenti. Questo darà a Wolff e ai suoi colleghi di tutti i gruppi di lavoro una guida fondamentale su dove cercare. Questo accelererà il percorso verso l’obiettivo di dispositivi optoelettronici a basso costo, stabili e di grande superficie con una moltitudine di applicazioni.
Fan Fu, ricercatore dell’Empa, è uno specialista di perovskite e fa parte del consorzio di ricerca. Sta lavorando su due compiti contemporaneamente: da un lato, sta cercando nuovi fotorivelatori e celle solari basati sulle perovskiti. D’altra parte, vuole anche trovare una "via verde" per la produzione industriale di celle di perovskite. "Mentre il team dell’EPFL ha trovato un processo a secco, noi dell’Empa abbiamo sviluppato ulteriormente il processo a umido", spiega. "Non abbiamo più bisogno di solventi tossici, che possono essere utilizzati in laboratorio ma che rappresentano un handicap nel processo industriale. Ora lavoriamo con l’isopropanolo, che viene utilizzato anche in tutti i negozi di parrucchieri". Fan Fu vuole ora adattare il suo processo a umido a processi industriali come il rivestimento di stampi per fessure. Anche il suo collega dell’Empa Sebastian Siol lo sta aiutando nella ricerca del processo ottimale. Mapperà i campioni della serie di test di Fan Fu e lo aiuterà a trovare i parametri di processo ottimali.

Sensori per smartwatch

Fan Fu ha un secondo progetto che sta portando avanti all’AMYS: le celle di perovskite potrebbero essere utilizzate come fotorivelatori nelle macchine fotografiche o come rilevatori di raggi X per la diagnostica per immagini in campo medico, con due vantaggi fondamentali: sono molto più economiche e facili da produrre rispetto ai chip per fotocamere in silicio comunemente utilizzati oggi. Inoltre, sono flessibili e possono adattarsi alla forma del corpo. Fan Fu usa un esempio per spiegare quanto potrebbe essere interessante: "I sensori di ossigeno nel sangue e di frequenza cardiaca negli smartwatch sono in parte basati sul rilevamento ottico del flusso sanguigno". Con i sensori ottici flessibili, in futuro sarà possibile ottenere tali letture in modo molto più economico e allo stesso tempo più preciso, spiega Fan Fu. "I dispositivi di misurazione che si basano direttamente sulla pelle sono una tecnologia chiave per la futura interazione tra esseri umani e macchine".