As perovskitas de haleto de chumbo são muito eficientes na conversão da luz solar em eletricidade, embora estejam cheias de impurezas e defeitos estruturais. O seu desempenho aproxima-se agora do das células solares à base de silício que há muito dominam a indústria. Em um estudo publicado recentemente comunicações da naturezaPesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) explicam detalhadamente essa eficiência inesperada e resolvem um mistério que intriga os cientistas há anos.
Isto levanta uma questão óbvia: como podem os materiais relativamente simples e de baixo custo competir com a tecnologia de silício altamente refinada desenvolvida ao longo de décadas? Nos últimos 15 anos, as perovskitas de haleto de chumbo surgiram como candidatas promissoras para células solares de próxima geração. Ao contrário do silício, que requer flocos de silício de cristal único ultrapuros, esses materiais podem ser produzidos usando métodos baratos baseados em soluções, ao mesmo tempo que oferecem desempenho comparável.
Os investigadores da ISTA, Dmytro Rak e Zhanybek Alpichshev, identificaram agora o mecanismo subjacente a estas propriedades incomuns. Suas descobertas revelam um contraste surpreendente com a tecnologia solar tradicional. O silício depende de uma pureza quase perfeita para funcionar de forma eficaz, mas as perovskitas se beneficiam de suas imperfeições. A rede natural de defeitos estruturais permite que as cargas se propaguem por longas distâncias no material, o que é fundamental para a conversão eficiente de energia, disse a equipe. “Nosso trabalho fornece a primeira explicação física para esses materiais, ao mesmo tempo que explica a maioria, senão todas, de suas propriedades registradas”, disse Luck. Essa percepção pode ajudar a aproximar as células solares de perovskita do uso generalizado no mundo real.
De materiais negligenciados a inovações solares
O termo “perovskitas de haleto de chumbo” refere-se a um grupo de compostos descobertos pela primeira vez na década de 1970. Eles são nomeados por sua semelhança estrutural com as perovskitas, uma classe mais ampla de materiais óxidos estudados extensivamente na ciência dos materiais. Além de sua capacidade de formar cristais híbridos orgânicos-inorgânicos estáveis, eles inicialmente atraíram pouca atenção e foram amplamente arquivados após a caracterização básica.
Isso mudou no início da década de 2010, quando os investigadores descobriram a sua incrível capacidade de converter luz em eletricidade. Desde então, as perovskitas também se mostraram promissoras em LEDs e tecnologias de detecção e imagem de raios X. “Além disso, esses materiais apresentam propriedades quânticas surpreendentes, como a coerência quântica à temperatura ambiente”, explica Alpichesev, cujo grupo de pesquisa estuda fenômenos complexos em materiais avançados.
Como as células solares geram e transferem carga
Para que qualquer célula solar funcione de forma eficaz, ela deve absorver a luz solar e convertê-la em carga elétrica. Este processo cria elétrons com carga negativa e “buracos” com carga positiva. Essas cargas precisam então viajar através do material e alcançar os eletrodos para criar eletricidade utilizável.
Esta jornada não é fácil. A carga deve percorrer uma distância de centenas de mícrons, o equivalente a centenas de quilômetros para os humanos, sem ficar presa ou perdida no caminho.
Nas células solares baseadas em silício, esse desafio é enfrentado pela eliminação de defeitos que poderiam reter cargas antes que elas atinjam os eletrodos. No entanto, as perovskitas são criadas usando métodos baseados em soluções e contêm naturalmente muitas falhas. Isso torna seu forte desempenho ainda mais surpreendente. Com que eficiência as cargas viajam através de um material tão defeituoso e por que permanecem separadas por tempo suficiente?
Descobrindo o poder oculto dentro das perovskitas
Uma propriedade conhecida das perovskitas aumenta o quebra-cabeça. Quando elétrons e lacunas formam pares ligados chamados excitons, eles tendem a se recombinar rapidamente. Experimentos mostraram, entretanto, que essas cargas muitas vezes permanecem separadas no material por longos períodos de tempo.
Para explicar esta contradição, a equipe do ISTA propôs que as forças internas dentro da perovskita separam ativamente os elétrons e os buracos para evitar a recombinação. Para testar esta ideia, eles usaram técnicas ópticas não lineares para injetar cargas elétricas profundamente no material. Cada vez que elétrons e lacunas eram introduzidos, eles observavam uma corrente consistente fluindo na mesma direção, mesmo sem qualquer tensão externa aplicada. “Esta observação mostra claramente que mesmo nas profundezas dos monocristais de perovskita em crescimento não modificados, existem forças internas que separam as cargas opostas”, disse Arpichev.
Pesquisas anteriores sugeriram que esse comportamento não deveria ocorrer com base na estrutura cristalina do material. Para explicar esta discrepância, os pesquisadores propuseram uma separação desigual de cargas. Em vez disso, ocorre em áreas específicas chamadas “paredes de domínio”, onde a estrutura do material muda ligeiramente. Estas paredes de domínio formam uma rede interligada em todo o material.
Visualizando paredes de domínio com íons de prata
Confirmar a existência destas redes é um grande desafio. A maioria das técnicas de medição sonda apenas a superfície de um material, enquanto as paredes do domínio existem nas profundezas do material.
Para superar essa limitação, Rak se inspirou em sua formação em química e desenvolveu um novo método. Como as perovskitas podem conduzir íons, ele explorou se certos íons poderiam servir como marcadores para revelar a estrutura interna. Ele introduziu íons de prata no material, que migraram naturalmente e se acumularam ao longo das paredes do domínio magnético. Esses íons são então convertidos em prata metálica, tornando a rede visível ao microscópio.
“Esta técnica qualitativa inventada e implementada pela ISTA é muito parecida com a angiografia em tecido vivo, exceto pelo fato de examinarmos a microestrutura do cristal”, disse Alpichshev.
A “rodovia” de carregamento permite um fluxo eficiente de energia
A descoberta da densa rede de paredes de domínio magnético nas perovskitas provou ser um ponto de viragem. Essas estruturas atuam como caminhos que guiam as cargas elétricas através do material.
Como explica Rak, “se um par elétron-buraco for criado perto de uma parede de domínio, o campo elétrico local separa o elétron e o buraco, colocando-os em lados opostos da parede. Incapazes de se recombinarem imediatamente, eles podem flutuar ao longo da parede do domínio pelo que parecem ser eras na escala de tempo do portador de carga e se propagar por longas distâncias.” Na verdade, essas barreiras de domínio
Explicação completa e caminho a seguir
Os pesquisadores enfatizam que seu trabalho fornece uma explicação unificadora para o comportamento das perovskitas. “Com este quadro abrangente, somos finalmente capazes de reconciliar muitas observações conflitantes anteriores sobre perovskitas de haleto de chumbo, resolvendo um debate de longa data sobre a origem de sua eficiência superior de captação de energia”, disse Luck.
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar as células solares de perovskita concentraram-se em ajustar a sua composição química, mas o progresso tem sido limitado. Este novo entendimento abre a porta para projetar suas estruturas internas, aumentando potencialmente a eficiência sem sacrificar as vantagens da produção de baixo custo. As descobertas podem desempenhar um papel fundamental na transferência da tecnologia solar de próxima geração do laboratório para uma aplicação generalizada.
