Polarons são distorções fugazes na rede atômica de um material que se formam em torno de um elétron em movimento em alguns trilionésimos de segundo, em seguida, desaparece rapidamente. Por mais efêmeros que sejam, eles afetam o comportamento de um material, e pode até ser a razão pela qual as células solares feitas com perovskitas híbridas de chumbo alcançam eficiências extraordinariamente altas em laboratório.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford usaram o laser de raios-X do laboratório para observar e medir diretamente a formação de polarons pela primeira vez. Eles relataram suas descobertas em Materiais da Natureza hoje.

"Esses materiais têm invadido o campo da pesquisa de energia solar por causa de sua alta eficiência e baixo custo, mas as pessoas ainda discutem por que funcionam, "disse Aaron Lindenberg, um investigador do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC e professor associado em Stanford que liderou a pesquisa.

"A ideia de que polarons podem estar envolvidos existe há vários anos, "disse ele." Mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e como eles evoluem. "

Emocionante, complexo e difícil de entender

Perovskitas são materiais cristalinos nomeados após o mineral perovskita, que tem uma estrutura atômica semelhante. Os cientistas começaram a incorporá-los em células solares há cerca de uma década, e a eficiência dessas células na conversão da luz solar em energia tem aumentado constantemente, apesar do fato de que seus componentes perovskita têm muitos defeitos que deveriam inibir o fluxo de corrente.

Esses materiais são famosos por serem complexos e difíceis de entender, Lindenberg disse. Embora os cientistas os considerem empolgantes porque são eficientes e fáceis de fazer, levantando a possibilidade de tornar as células solares mais baratas do que as células de silício de hoje, eles também são altamente instáveis, quebram quando expostos ao ar e contêm chumbo que deve ser mantido fora do ambiente.

Estudos anteriores no SLAC investigaram a natureza das perovskitas com uma "câmera de elétrons" ou com feixes de raios-X. Entre outras coisas, eles revelaram que a luz gira átomos em torno de perovskitas, e também mediram a vida útil dos fônons acústicos - ondas sonoras - que transportam calor através dos materiais.

Para este estudo, A equipe de Lindenberg usou a Linac Coherent Light Source (LCLS) do laboratório, um poderoso laser de elétrons livres de raios-X que pode gerar imagens de materiais com detalhes quase atômicos e capturar movimentos atômicos que ocorrem em milionésimos de bilionésimo de segundo. Eles examinaram cristais únicos do material sintetizado pelo grupo do professor associado Hemamala Karunadasa em Stanford.

Eles acertaram uma pequena amostra do material com a luz de um laser óptico e então usaram o laser de raios-X para observar como o material respondia ao longo de dezenas de trilionésimos de segundo.

Bolhas de distorção em expansão

"Quando você coloca uma carga em um material, atingindo-o com luz, como o que acontece em uma célula solar, elétrons são liberados, e esses elétrons livres começam a se mover ao redor do material, "disse Burak Guzelturk, um cientista do Laboratório Nacional de Argonne do DOE que era um pesquisador de pós-doutorado em Stanford na época dos experimentos.

"Logo eles são cercados e engolfados por uma espécie de bolha de distorção local - o polaron - que viaja junto com eles, "disse ele." Algumas pessoas argumentaram que esta 'bolha' protege os elétrons de espalhar defeitos no material, e ajuda a explicar por que eles viajam tão eficientemente para o contato da célula solar para fluir como eletricidade. "

A estrutura da rede perovskita híbrida é flexível e macia - como "uma estranha combinação de um sólido e um líquido ao mesmo tempo, "como diz Lindenberg - e é isso que permite que os polarons se formem e cresçam.

Suas observações revelaram que as distorções polarônicas começam muito pequenas - na escala de alguns angstroms, sobre o espaçamento entre os átomos em um sólido - e se expandir rapidamente para fora em todas as direções até um diâmetro de cerca de 5 bilionésimos de metro, o que é um aumento de cerca de 50 vezes. Isso empurra cerca de 10 camadas de átomos ligeiramente para fora dentro de uma área aproximadamente esférica ao longo de dezenas de picossegundos, ou trilionésimos de segundo.

"Essa distorção é realmente muito grande, algo que não conhecíamos antes, "Lindenberg disse." Isso é algo totalmente inesperado. "

Ele adicionou, "Embora este experimento mostre o mais diretamente possível que esses objetos realmente existem, não mostra como eles contribuem para a eficiência de uma célula solar. Ainda há mais trabalho a ser feito para entender como esses processos afetam as propriedades desses materiais. "