Um efeito fotográfico até então desconhecido:em alguns materiais, como no iodeto de chumbo perovskita metilamônio (MAPI), Os íons contribuem fortemente para a condutividade induzida pela luz. Como é comum em células solares, a luz inicialmente libera elétrons. Os restantes orifícios carregados positivamente neutralizam os íons de iodeto carregados negativamente no cristal. Como um átomo de iodo sem carga é menor do que um íon iodeto, ocupa um espaço intersticial, em que o íon iodeto não se encaixa. As lacunas resultantes na estrutura do cristal permitem a condução de íons da mesma forma que os buracos de elétrons permitem a condução de elétrons. Crédito:Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido
A luz torna alguns materiais condutores de uma forma antes imprevista. Em células solares de silício, elétrons fluem quando o sol brilha. Contudo, cientistas do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido, com sede em Stuttgart, descobriram agora uma surpresa:em uma perovskita especial, outro material usado para células solares, a luz não apenas libera elétrons, mas também átomos eletricamente carregados, conhecidos como íons. Além disso, este novo efeito fotográfico é extremamente grande. A condutividade do íon aumentou por um fator de cem. Para células solares feitas com o material investigado aqui, a alta condutividade iônica induzida pela luz é bastante prejudicial; as consequências, Contudo, agora pode ser combatido especificamente. Do ponto de vista dos pesquisadores em Stuttgart, o efeito é inovador em si mesmo, como isso faz romance, aplicações eletroquímicas controladas por luz concebíveis, como baterias carregadas diretamente pela luz.
Quando se trata de eficiência, as células solares de silício estabelecem padrões. Mas, especialmente para elementos fotovoltaicos com eficiências particularmente altas, a produção de silício é complexa e cara. Materiais referidos como perovskitas, devido à sua estrutura, poderia oferecer uma alternativa menos cara aqui. Uma equipe de cientistas liderada por Joachim Maier, Diretor do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido, examinaram agora como a luz influencia o transporte de eletricidade nesses materiais com base no iodeto de chumbo metilamônio perovskita (MAPI). Seu interesse por esses materiais foi despertado durante uma colaboração com Michael Grätzel, que conduz pesquisas na École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) e é membro científico externo do Instituto Max Planck, com sede em Stuttgart.
Em seus experimentos, os pesquisadores agora observaram que os íons, que são átomos carregados, contribui para a condutividade em um grau inesperadamente alto quando o material é iluminado. Em células solares perovskita, o efeito pode levar a alterações estruturais e prejudicar a eficiência. "Contudo, nossas descobertas podem ajudar a prevenir tais processos de envelhecimento, "diz Joachim Maier. Para o químico, Contudo, o fenômeno como tal é mais emocionante principalmente porque cria a possibilidade fundamental de liberar íons móveis com a ajuda da luz, nomeadamente os transportadores de carga que transportam eletricidade em aplicações eletroquímicas, como baterias, células de combustível ou sensores e interruptores eletroquímicos.
Que a luz influencia o transporte de íons só foi demonstrado anteriormente em biologia:a iluminação é capaz de alterar indiretamente a permeabilidade de uma membrana celular. "Muito surpreendente, Contudo, é o fato de que a condução iônica de sólidos cristalinos pode ser modificada diretamente e em que medida isso é possível, "diz Joachim Maier. Sua equipe observou como o número de íons de iodeto livres foi aumentado por um fator de cem. A condução iônica é, portanto, aumentada em uma extensão semelhante à conhecida pela condutividade eletrônica induzida pela luz.
Os pesquisadores em Stuttgart não apenas demonstraram o fenômeno experimentalmente. Eles também podem explicar isso. De acordo com eles, a luz inicialmente libera elétrons, como é comum em células solares. Os elétrons carregados negativamente deixam buracos carregados positivamente na estrutura do cristal, como diriam os físicos. Estes neutralizam íons de iodeto de outra forma carregados negativamente dentro do cristal. Como um átomo de iodo sem carga é muito menor do que um íon iodeto, ocupa um espaço denominado intersticial, isso é, um espaço livre na estrutura cristalina em que o íon iodeto maior não se encaixa. As lacunas resultantes na estrutura do cristal permitem a condução de íons da mesma forma que os buracos de elétrons permitem a condução de elétrons. "Crucial para esse efeito é que há um mecanismo que traduz os orifícios criados pela luz diretamente em condutividade iônica, "diz Joachim Maier.
Os pesquisadores usaram vários métodos para provar o efeito sem sombra de dúvida. Em um experimento inicial, eles usaram contatos elétricos para MAPI que bloqueou os íons, isso é, eles permitiam que apenas os elétrons passassem. Eles usaram uma corrente específica e mediram a tensão. Se os íons estão envolvidos no fluxo atual, a tensão deve aumentar após um curto período de tempo, porque eles só podem se mover inicialmente, mas são então bloqueados pelos contatos. Isso foi exatamente o que os pesquisadores em Stuttgart observaram.
Evidências claras de condução iônica também foram fornecidas pela voltagem medida em um circuito aberto, que foi gerado pelos pesquisadores usando a perovskita como a fase eletrolítica de uma célula de bateria iluminada:se os elétrons no material transportassem principalmente a corrente, um curto-circuito ocorreria, e nenhuma voltagem seria produzida. Contudo, usando um material ionicamente condutor como eletrólito, a tensão da bateria prevista pode ser medida.
Os pesquisadores demonstraram diretamente o transporte de iodo em mais dois experimentos. Eles expuseram um lado da perovskita ao iodo gasoso. Eles anexaram uma película de cobre do outro lado, que atua como um sumidouro de iodo devido à sua propensão a reagir para formar iodeto de cobre. Sob iluminação, este processo ocorreu em uma velocidade muito alta. O transporte do iodo dentro da amostra de perovskita também foi demonstrado por um experimento no qual o tolueno atuou como um sumidouro externo para o elemento. Os pesquisadores demonstraram espectroscopicamente que a concentração de iodo no tolueno aumentou assim que a perovskita foi iluminada.
O mecanismo observado pelos cientistas em Stuttgart é reversível, Maier enfatiza. Não destrói o material. Somente quando o material perovskita está em contato com uma substância que liga o iodo permanentemente, ou quando o iodo escapa para a atmosfera, o material se degrada com o tempo.
No futuro próximo, os pesquisadores não têm a intenção de se contentar em apenas compreender os mecanismos de degradação e, em última instância, preveni-los. O que é mais importante, de acordo com Joachim Maier, é investigar o próprio efeito, porque representa uma novidade na pesquisa do estado sólido. “Vamos examinar outros materiais para ver se fenômenos semelhantes ocorrem, "diz Joachim Maier. Os pesquisadores também estão se concentrando na questão de como esse efeito pode ser explorado tecnicamente. Para isso, eles vão primeiro desenvolver ideias, como no sentido de utilizar armazenamento estimulado por luz, e, em seguida, procure materiais adequados para tais aplicações. "A condutividade iônica representa um fenômeno chave em um contexto de pesquisa de energia, "diz Joachim Maier." Mas em muitos aspectos - especialmente quando se trata de exposição à luz - continua sendo uma terra incógnita. "Os pesquisadores do Max Planck em Stuttgart pretendem mudar isso.
