Perovskiti ibride per applicazioni optoelettroniche

Abstract

Negli ultimi decenni, la ricerca nel campo dei materiali ha portato alla scoperta e allo sviluppo di una nuova classe di composti semiconduttori che hanno suscitato un crescente interesse nella comunità scientifica e industriale: le perovskiti ibride, caratterizzate da una formula chimica generica ABX3, dove A rappresenta un catione organico, B un catione metallico a doppia carica e X un anione alogenuro. Esse si distinguono per una combinazione di caratteristiche peculiari che le rendono particolarmente interessanti per lo sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni come le loro ottime proprietà ottiche. Le perovskiti ibride, infatti, presentano un elevato coefficiente di assorbimento della luce e ottima emissività, che le rendono particolarmente adatte per applicazioni in celle solari e diodi emettitori di luce (LED). Inoltre, le perovskiti ibride hanno dimostrato di raggiungere efficienze di conversione di potenza in celle solari paragonabili a quelle delle tecnologie silicee tradizionali, aprendo nuove prospettive per lo sviluppo di dispositivi fotovoltaici di prossima generazione. Infine, variando la loro composizione chimica è possibile modulare efficacemente il loro band gap rendendole materiali molto versatili per applicazioni optoelettroniche come celle solari, LED, fotodetector e laser. Tuttavia, nonostante le promettenti prospettive, l'utilizzo su larga scala delle perovskiti ibride è ancora limitato da alcuni fattori critici. Questi materiali hanno, infatti, una stabilità limitata essendo molto sensibili all’umidità, al calore e tendono a degradarsi nel tempo andando a limitare il tempo di vita dei dispositivi che le implementano. Inoltre, le perovskiti più performanti sono a base piombo e questo pone delle serie problematiche riguardo la loro tossicità e difficoltà di smaltimento. Questo progetto che si è svolto presso l’Unità Operativa di Chimica Fisica dei Materiali e dei Processi del Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale del

In recent decades, materials research has led to the discovery and development of a new class of semiconductor compounds that have attracted increasing interest in the scientific and industrial community: hybrid perovskites, characterized by a generic chemical formula ABX3, where A represents an organic cation, B a doubly charged metal cation, and X a halide anion. They are distinguished by a combination of peculiar characteristics that make them particularly interesting for the development of high-performance devices, such as their excellent optical properties. Hybrid perovskites, in fact, have a high light absorption coefficient and excellent emissivity, which make them particularly suitable for applications in solar cells and light-emitting diodes (LEDs). Furthermore, hybrid perovskites have been shown to achieve power conversion efficiencies in solar cells comparable to those of traditional silicon technologies, opening new perspectives for the development of next-generation photovoltaic devices. Finally, by varying their chemical composition, it is possible to effectively modulate their band gap, making them very versatile materials for optoelectronic applications such as solar cells, LEDs, photodetectors and lasers.

However, despite the promising prospects, the large-scale use of hybrid perovskites is still limited by some critical factors. These materials have, in fact, a limited stability, being very sensitive to humidity and heat, and tend to degrade over time, limiting the lifespan of the devices that implement them. Moreover, the most performing perovskites are lead-based and this poses serious problems regarding their toxicity and disposal difficulties.

This project was carried out at the Materials and Processes Physical Chemistry Unit of the Department of Chemistry and Industrial Chemistry of the University of Genoa (DCCI), in the Nanostructures for Energy and Environment (NE2) research group.

The first part of the thesis work focused on the synthesi