Pesquisadores da Universidade de Cambridge usaram um conjunto de métodos correlativos de microscopia multimodal para visualizar, pela primeira vez, por que os materiais de perovskita são aparentemente tão tolerantes a defeitos em sua estrutura. Suas descobertas foram publicadas hoje na Nature Nanotechnology.
O material mais comumente usado para a produção de painéis solares é o silício cristalino, mas para obter uma conversão de energia eficiente requer um processo de produção que consome muita energia e tempo para criar a estrutura de wafer altamente ordenada necessária.
Na última década, os materiais perovskita surgiram como alternativas promissoras.
Os sais de chumbo usados para fazê-los são muito mais abundantes e baratos de produzir do que o silício cristalino e podem ser preparados em uma tinta líquida que é simplesmente impressa para produzir um filme do material. Eles também apresentam grande potencial para outras aplicações optoeletrônicas, como diodos emissores de luz (LEDs) e detectores de raios-X com eficiência energética.
O desempenho impressionante dos perovskitas é surpreendente. O modelo típico de um semicondutor excelente é uma estrutura muito ordenada, mas o conjunto de diferentes elementos químicos combinados em perovskitas cria uma paisagem muito mais “confusa”.
Essa heterogeneidade causa defeitos no material que levam a ‘armadilhas’ em nanoescala, que reduzem o desempenho fotovoltaico dos dispositivos. Mas, apesar da presença desses defeitos, os materiais de perovskita ainda apresentam níveis de eficiência comparáveis às suas alternativas de silício.
Na verdade, pesquisas anteriores do grupo mostraram que a estrutura desordenada pode realmente aumentar o desempenho da optoeletrônica de perovskita, e seu trabalho mais recente busca explicar por quê.
Combinando uma série de novas técnicas de microscopia, o grupo apresenta um quadro completo da paisagem química, estrutural e optoeletrônica em nanoescala desses materiais, que revela as complexas interações entre esses fatores concorrentes e, finalmente, mostra o que sai por cima.
“O que vemos é que temos duas formas de transtorno acontecendo em paralelo”, explica o Ph.D. estudante Kyle Frohna, “o distúrbio eletrônico associado aos defeitos que reduzem o desempenho e, em seguida, o distúrbio químico espacial que parece melhorá-lo.
“E o que descobrimos é que a desordem química – a desordem ‘boa’ neste caso – mitiga a desordem ‘ruim’ dos defeitos, canalizando os portadores de carga para longe dessas armadilhas nas quais eles poderiam ser apanhados.”
Em colaboração com o Laboratório Cavendish de Cambridge, a instalação do síncrotron Diamond Light Source em Didcot e o Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa no Japão, os pesquisadores usaram várias técnicas microscópicas diferentes para observar as mesmas regiões no filme de perovskita. Eles poderiam então comparar os resultados de todos esses métodos para apresentar o quadro completo do que está acontecendo em nível nanoescala nesses novos materiais promissores.
“A ideia é fazermos algo chamado microscopia multimodal, que é uma maneira muito sofisticada de dizer que olhamos para a mesma área da amostra com vários microscópios diferentes e basicamente tentamos correlacionar as propriedades que extraímos de um com as propriedades que extraímos de outro “, diz Frohna. “Esses experimentos consomem muito tempo e muitos recursos, mas as recompensas que você obtém em termos das informações que pode obter são excelentes.”
As descobertas permitirão ao grupo e outros no campo refinar ainda mais como as células solares de perovskita são feitas para maximizar a eficiência.
“Por muito tempo, as pessoas usaram o termo tolerância a defeitos, mas esta é a primeira vez que alguém o visualizou adequadamente para entender o que realmente significa ser tolerante a defeitos nesses materiais.
“Sabendo que esses dois distúrbios concorrentes estão atuando um contra o outro, podemos pensar em como efetivamente modulamos um para mitigar os efeitos do outro da maneira mais benéfica.”
“Em termos de novidade da abordagem experimental, seguimos uma estratégia de microscopia multimodal correlativa, mas não só isso, cada técnica autônoma é de ponta por si só”, diz Miguel Anaya, bolsista da Royal Academy of Engineering Research no Departamento de Química de Cambridge Engenharia e Biotecnologia
“Nós visualizamos e apresentamos as razões pelas quais podemos chamar esses materiais de tolerantes a defeitos. Essa metodologia permite novas rotas para otimizá-los em nanoescala para, em última análise, ter um melhor desempenho para uma aplicação direcionada. Agora, podemos olhar para outros tipos de perovskitas que são não só bom para células solares, mas também para LEDs ou detectores e compreender seus princípios de funcionamento.
“Ainda mais importante, o conjunto de ferramentas de aquisição que desenvolvemos neste trabalho pode ser estendido para estudar qualquer outro material optoeletrônico, algo que pode ser de grande interesse para a comunidade científica de materiais em geral.”
“Por meio dessas visualizações, agora entendemos muito melhor a paisagem em nanoescala nesses fascinantes semicondutores – o bom, o ruim e o feio”, diz Sam Stranks, professor assistente da universidade de energia no Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge.
“Esses resultados explicam como a otimização empírica desses materiais pelo campo levou essas perovskitas de composição mista a desempenhos tão elevados. Mas também revelou planos para o projeto de novos semicondutores que podem ter atributos semelhantes – onde a desordem pode ser explorada para personalizar o desempenho . ”
Publicado em 24/11/2021 01h57
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