Le perovskiti agli alogenuri rappresentano una delle più significative innovazioni nel panorama del fotovoltaico emergente. Il termine “perovskite” si riferisce originariamente a un minerale naturale di formula chimica ABX₃, dove A e B sono cationi di dimensioni differenti e X è un anione, tipicamente Cl^-, Br^- o I^-. Questa struttura cristallina flessibile ha permesso la realizzazione di materiali in cui è possibile modulare le proprietà ottiche ed elettroniche agendo sulla composizione chimica. In particolare, le perovskiti a base di piombo (come CH₃NH₃PbI₃ e le sue versioni a cationi e ad alogenuri misti) hanno mostrato straordinarie prestazioni come assorbitori di luce. Questi materiali hanno rapidamente raggiunto efficienze fotovoltaiche comparabili, e in alcuni casi superiori, a quelle delle tecnologie fotovoltaiche consolidate. La versatilità chimica e strutturale della famiglia delle perovskiti ha inoltre aperto la strada a nuove architetture di dispositivo, incluse configurazioni semi-trasparenti, tandem, flessibili e integrate architettonicamente. Nonostante le prestazioni fotovoltaiche elevate, la loro commercializzazione è ancora però limitata da due criticità principali: la stabilità operativa nel lungo periodo e la presenza di piombo nei materiali attivi, un elemento tossico e soggetto a regolamentazioni ambientali sempre più stringenti. Per rispondere a queste sfide, il centro MIB-SOLAR ha avviato una linea di ricerca dedicata allo sviluppo di dispositivi più stabili e sostenibili, basati su materiali inorganici e architetture ibride innovative. Una prima strategia prevede l’impiego di nanoparticelle di Cu₂ZnSnS₄, un semiconduttore abbondante e privo di elementi critici, come materiale trasportatore di buche in architetture invertite di celle a perovskite. Questa soluzione ha dimostrato un netto miglioramento della stabilità operativa rispetto ai dispositivi convenzionali a base organica, mantenendo al contempo efficienze fotovoltaiche competitive. Inoltre, il crescente interesse per l’integrazione del fotovoltaico nella vita quotidiana impone nuove sfide nella progettazione dei dispositivi: non è più sufficiente ottenere alte efficienze, ma è necessario garantire durabilità e compatibilità estetica. In particolare, per applicazioni in facciata come le vetrate, è cruciale disporre di celle semitrasparenti che bilancino trasmittanza luminosa e resa energetica. In quest’ottica, stiamo sviluppando celle a perovskite semitrasparenti ad alta efficienza, ottimizzate per essere combinate con rivestimenti selettivi o colorati mediante tecniche conformali come l’Atomic Layer Deposition (ALD). L’obiettivo è garantire che, anche dopo l’applicazione dei trattamenti ottici, l’efficienza del modulo rimanga elevata e competitiva. La progettazione delle celle si basa su una modulazione fine della composizione e dello spessore della perovskite attiva, con particolare attenzione alla minimizzazione delle perdite ottiche e alla qualità delle interfacce. L’integrazione con film filtranti o riflettenti via ALD è parte di una più ampia strategia per la realizzazione di vetrate intelligenti. Parallelamente, il nostro gruppo contribuisce allo sviluppo di tecnologie per il fotovoltaico integrato nei veicoli, un settore che richiede dispositivi leggeri, efficienti, meccanicamente flessibili e compatibili con superfici curve. In questo ambito, abbiamo progettato celle tandem completamente inorganiche che combinano una perovskite ad ampio gap come cella superiore con un assorbitore Cu₂ZnSn(S,Se)₄ come cella inferiore. L’accoppiamento energetico favorevole tra i due materiali consente una raccolta sinergica dello spettro solare e una maggiore efficienza di conversione, mantenendo al contempo un’architettura compatta e scalabile.

Nel tentativo di esplorare applicazioni oltre il fotovoltaico, abbiamo anche avviato una linea di ricerca sulla sintesi di cristalli singoli di CH₃NH₃PbI₃, utilizzando piombo romano di origine archeologica, noto per la sua eccezionale radiopurezza. Questa scelta è mirata a sviluppare materiali per dispositivi sensibili alla radiazione, come i rivelatori per fisica fondamentale, dove la presenza di contaminanti radioattivi può compromettere le misure. I cristalli vengono cresciuti con solventi non tossici, in condizioni ambientali controllate, dando origine a materiali di elevata qualità strutturale e ultra-bassa radioattività. Invece, per eliminare completamente il piombo dalle perovskiti, abbiamo esteso la ricerca ai composti a base di stagno, in particolare CH₃NH₃SnI₃ e Cs₃SnI₃, che conservano la struttura ABX₃ pur offrendo una composizione priva di elementi tossici. I film sottili di CH₃NH₃SnI₃ vengono attualmente depositati su supporti flessibili in PET per la realizzazione di bolometri criogenici leggeri e adattabili. Le attività in corso includono anche la caratterizzazione di tali film in celle solari, con l’obiettivo di valutare l’efficienza e la stabilità in vista di un’eventuale integrazione nei dispositivi fotovoltaici che impieghino le nanoparticelle di Cu₂ZnSnS₄ come materiale trasportatore di buche. Infine, una parte sempre più rilevante della nostra attività riguarda le perovskiti a base di bismuto, caratterizzate da strutture quasi-zero-dimensionali, in cui le unità [BiI₆]^3- risultano isolate o debolmente connesse nel reticolo cristallino. Questa configurazione induce un marcato confinamento di carica, che si traduce nella formazione di eccitoni autointrappolati, in un forte accoppiamento elettroni-fononi e in ampi spostamenti di Stokes nella fotoluminescenza. Stiamo attualmente indagando il comportamento di questi materiali in condizioni criogeniche per valutarne il potenziale impiego in bolometri flessibili. Sebbene a temperatura ambiente mostrino una bassa conducibilità termica, le prime evidenze sperimentali suggeriscono un cambiamento del regime di trasporto a temperature dell’ordine dei millikelvin, dove sembrano manifestare un comportamento da conduttore termico. Parallelamente, le perovskiti di bismuto vengono studiate per applicazioni termoelettroniche, grazie alla loro conducibilità termica intrinsecamente bassa, al potenziale termico elevato e alla possibilità di modulare il trasporto elettronico mediante drogaggi controllati, ad esempio con atomi di zolfo. In alcune formulazioni, sono state osservate tensioni termoindotte superiori a 40 mV/K, aprendo la strada all’utilizzo di questi materiali in dispositivi di energy harvesting a film sottile.

Gruppo di ricerca: Prof.ssa Simona Binetti (Full Professor), Dott.ssa Vanira Trifiletti (Assistant Professor), Dott. Giorgio Tseberlidis (Assistant Professor), Elisa Fabbretti (PhD student)