As perovskitas de haleto de chumbo, mesmo cheias de impurezas e defeitos estruturais, são notavelmente eficazes na conversão da luz solar em eletricidade. 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, o Dr. Comunicação da naturezaInvestigadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) apresentaram uma explicação detalhada para esta capacidade inesperada, resolvendo um mistério que tem confundido os cientistas durante anos.
Isto levanta uma questão óbvia: como pode um material relativamente simples e de baixo custo competir com a tecnologia de silício 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 wafers de cristal único ultrapuros, esses materiais podem ser fabricados usando métodos baratos baseados em soluções, proporcionando desempenho comparável.
Os investigadores Dmytro Rak e Zhanibek Alpichshev da ISTA 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 eficiente, mas as perovskitas se beneficiam de suas imperfeições. Segundo a equipe, uma rede natural de defeitos estruturais permite que cargas elétricas percorram longas distâncias através do material, o que é essencial para uma conversão eficiente de energia. “Nosso trabalho fornece a primeira interpretação física desses materiais, ao mesmo tempo que contabiliza a maioria de suas propriedades documentadas”, diz Ruck. 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 identificados pela primeira vez na década de 1970. Eles foram nomeados por sua semelhança estrutural com as perovskitas, uma ampla classe de materiais óxidos amplamente estudada na ciência dos materiais. Além de sua capacidade de formar cristais híbridos orgânicos-inorgânicos estáveis, eles inicialmente atraíram pouca atenção e foram amplamente isolados após caracterização fundamental.
Isso mudou no início da década de 2010, quando os investigadores descobriram a sua impressionante capacidade de converter luz em eletricidade. Desde então, as perovskitas também se mostraram promissoras em LEDs, bem como em detecção de raios X e tecnologias de imagem. “Além disso, esses materiais exibem propriedades quânticas surpreendentes, como a coerência quântica à temperatura ambiente”, explica Alpichshev, cujo grupo de pesquisa estuda fenômenos complexos em materiais avançados.
Como as células solares geram e transportam carga
Para que qualquer célula solar funcione de forma eficiente, ela deve absorver a luz solar e convertê-la em carga elétrica. Este processo produz elétrons com carga negativa e “buracos” com carga positiva. Essas cargas devem então viajar através do material e atingir os eletrodos para gerar eletricidade utilizável.
Esta jornada não é fácil. As cargas devem percorrer uma distância de centenas de mícrons, o que corresponde a centenas de quilômetros na escala humana, sem ficarem presas ou se perderem no caminho.
Nas células solares à base de silício, esse desafio é enfrentado eliminando defeitos que podem capturar carga antes de atingir os eletrodos. As perovskitas, entretanto, são feitas usando métodos baseados em soluções e naturalmente apresentam muitos defeitos. Isso torna seu forte desempenho ainda mais surpreendente. Como podem as cargas mover-se eficientemente através de um material tão defeituoso e por que razão permanecem separadas o tempo suficiente para o fazer?
Descubra as forças ocultas dentro das perovskitas
Uma propriedade conhecida das perovskitas aumenta o quebra-cabeça. Quando o elétron e o buraco formam um par ligado chamado exciton, eles se recombinam rapidamente. No entanto, experiências mostram que estas cargas permanecem frequentemente separadas durante longos períodos de tempo dentro do material.
Para explicar esta contradição, a equipe do ISTA propôs que as forças internas dentro da perovskita separam ativamente os elétrons e os buracos, evitando a recombinação. Para testar esta ideia, eles usaram técnicas ópticas não lineares para injetar carga profundamente no material. Cada vez que introduziam elétrons e lacunas, observavam uma corrente elétrica consistente fluindo na mesma direção, mesmo sem aplicar uma tensão externa. “Esta observação indica claramente que mesmo cristais únicos de perovskita não modificada e cultivada têm forças internas que separam cargas opostas”, disse Alpichshev.
Estudos anteriores sugeriram que tal comportamento não deveria ser baseado na estrutura cristalina do material. Para resolver esta discrepância, os pesquisadores propuseram que a separação de cargas não é uniforme. Em vez disso, ocorre em regiões específicas conhecidas como “paredes de domínio”, onde a composição do material muda ligeiramente. Estas paredes de domínio formam redes interconectadas em todo o material.
Visualizando paredes de domínio com íons de prata
Confirmar a existência destas redes representou um grande desafio. A maioria das técnicas de medição examina apenas a superfície de um material, enquanto as paredes do domínio ficam bem no interior.
Para superar essa limitação, Ruck desenvolveu um novo método inspirado em sua formação em química. Como as perovskitas podem conduzir íons, ele investigou se íons específicos poderiam atuar como marcadores para revelar a estrutura interna. Ele introduz íons de prata no material, que migram e se acumulam naturalmente ao longo das paredes do domínio. Esses íons foram então convertidos em prata metálica, tornando a rede visível ao microscópio.
“Esta técnica qualitativa, inventada e implementada no ISTA, é muito parecida com a angiografia em tecido vivo – estamos examinando a microestrutura de um cristal”, diz Alpichshev.
Carga “rodovia” permite fluxo de energia eficiente
A descoberta de uma densa rede de paredes de domínio em toda a perovskita provou ser um ponto de viragem. Essas estruturas atuam como caminhos que conduzem cargas elétricas através do material.
Ruck explicou: “Se um par elétron-buraco é criado perto de uma parede de domínio, o campo elétrico local separa o elétron e o buraco, mantendo-os em lados opostos da parede. Incapazes de se reconectarem imediatamente, eles podem fluir ao longo da parede do domínio e viajar longas distâncias durante o que parecem ser épocas na escala de tempo dos portadores de carga.” Com efeito, estas paredes de domínio funcionam como “rodovias para portadores de carga”, permitindo que as cargas se movam de forma eficiente e contribuam para a geração de energia.
Uma explicação completa e um caminho a seguir
Os pesquisadores enfatizam que seu trabalho fornece uma explicação unificada para o comportamento das perovskitas. “Com este quadro abrangente, somos finalmente capazes de reconciliar muitas observações anteriormente conflitantes sobre perovskitas de haleto de chumbo, resolvendo um debate de longa data sobre a origem de sua eficiência superior na captação de energia”, disse Rak.
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar as células solares de perovskita concentraram-se no ajuste da sua composição química, com progresso limitado. Este novo entendimento abre a porta para a engenharia de suas estruturas internas, aumentando potencialmente a eficiência sem sacrificar suas vantagens de fabricação de baixo custo. As descobertas podem desempenhar um papel importante para levar a tecnologia solar de próxima geração do laboratório para uso generalizado.
