I dispositivi in ​​perovskite si accendono

Jun 07, 2023

Nature Electronics volume 6, pagina 545 (2023)Citare questo articolo

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Le perovskiti agli alogenuri metallici sono sempre più utilizzate in applicazioni che vanno oltre il fotovoltaico convenzionale, dalle celle solari flessibili per dispositivi indossabili ai transistor ad effetto di campo per l'informatica non convenzionale.

Negli ultimi anni la ricerca sulle celle solari è stata dominata dal lavoro sulle perovskiti. Queste perovskiti sono perovskiti ad alogenuri metallici, come lo ioduro di piombo e metilammonio (CH3NH3PbI3), che hanno la stessa struttura cristallina e la stessa formula chimica generale del minerale noto anche come perovskite, titanato di calcio (CaTiO3). Il lavoro si concentra spesso sulla creazione di una tecnologia fotovoltaica su larga scala che potrebbe superare gli approcci commerciali, guidati dal silicio cristallino. Ma le caratteristiche di questi materiali processabili in soluzione – che includono la produzione a basso costo e la capacità di creare dispositivi flessibili a film sottile – significano che hanno anche un potenziale valore in applicazioni più non convenzionali. Per illustrare, in un articolo in questo numero di Nature Electronics, Martin Kaltenbrunner, Wei Gao e colleghi mostrano che una cella solare in perovskite può essere utilizzata per alimentare un sensore di sudore indossabile.

I sensori indossabili in genere si basano sulle batterie per l'alimentazione. Ma questi possono essere ingombranti e devono essere ricaricati con una fonte di energia elettrica esterna. Le celle solari potrebbero fornire un’opzione più leggera e sostenibile. Tuttavia, le celle solari al silicio convenzionali sono rigide e fragili e possono avere difficoltà in condizioni di scarsa illuminazione o al chiuso. I ricercatori – che lavorano presso il California Institute of Technology e l’Università Johannes Kepler di Linz – si sono quindi rivolti alle celle solari alla perovskite e, in particolare, a un modulo flessibile di celle solari alla perovskite quasi bidimensionale.

Il loro sensore del sudore contiene elettrodi per ionoforesi per la stimolazione del sudore, microfluidica per il campionamento del sudore, sensori elettrochimici per l'analisi del sudore e un sensore impedimetrico per il monitoraggio della velocità del sudore, nonché un sistema basato su Bluetooth per la trasmissione dati wireless. Nonostante questo lungo elenco di funzionalità, con il modulo di cella solare in perovskite (che ha un'efficienza di conversione di potenza superiore al 31% in condizioni di illuminazione interna), il dispositivo può funzionare in una vasta gamma di condizioni di illuminazione. Il team mostra che il sensore indossabile può monitorare continuamente le informazioni fisico-chimiche di una persona – livelli di glucosio, pH e ioni di sodio, nonché tasso di sudorazione e temperatura della pelle – per più di 12 ore e durante varie attività fisiche indoor e outdoor. (Vedi anche l'articolo News & Views di accompagnamento sul lavoro di Jussi Hiltunen del Centro di ricerca tecnica VTT della Finlandia.)

Le proprietà attraenti delle perovskiti agli alogenuri metallici includono elevata mobilità dei portatori, lunghe lunghezze di diffusione e bande proibite sintonizzabili. E i materiali sono stati ampiamente studiati in altri dispositivi optoelettronici, compresi i diodi a emissione di luce (LED)1, dove i progressi, come quello delle celle solari a base di perovskite, sono stati rapidi. Nelle applicazioni che vanno oltre i dispositivi optoelettronici, gli sviluppi sono stati più lenti. In particolare, sebbene il lavoro sui transistor a effetto di campo di perovskite possa essere fatto risalire al 1999, quando furono testati dispositivi basati su ioduro di stagno e feniletilammonio stratificato bidimensionale ((C6H5C2H4NH3)2SnI4)2, il potenziale di tali transistor è rimasto incerto. Ma i risultati recenti hanno fornito incoraggiamento.

In un articolo di Perspective altrove in questo numero, Huihui Zhu, Yong-Young Noh e colleghi considerano lo sviluppo di transistor alla perovskite agli alogenuri metallici. I ricercatori, che lavorano presso istituti in Corea del Sud, Cina, Italia e Stati Uniti, discutono le proprietà elettroniche e strutturali rilevanti dei semiconduttori di perovskite agli alogenuri ed esaminano i limiti dei sistemi di perovskite a base di piombo e il potenziale della perovskite a base di stagno. sistemi per fornire dispositivi ad alte prestazioni. Esplorano anche le potenziali applicazioni di questi transistor a effetto di campo di perovskite – dai circuiti integrati tridimensionali monolitici all’optoelettronica neuromorfica – ed evidenziano alcune delle sfide che devono essere affrontate per creare dispositivi e circuiti pratici.