Semicondutores são usados para uma miríade de dispositivos optoeletrônicos. Contudo, conforme os dispositivos ficam cada vez menores e mais exigentes, novos materiais são necessários para garantir que os dispositivos funcionem com maior eficiência. Agora, pesquisadores da USC Viterbi School of Engineering foram os pioneiros em uma nova classe de materiais semicondutores que podem aumentar a funcionalidade de dispositivos optoeletrônicos e painéis solares - talvez até usando cem vezes menos material do que o silício comumente usado.
Pesquisadores da USC Viterbi, liderado por Jayakanth Ravichandran, professor assistente no Departamento de Engenharia Química e Ciências de Materiais da Família Mork, incluindo Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthew Yeung, Kevin Ye, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, Professor Assistente de Engenharia Elétrica Rehan Kapadia, e David J. Singh, um professor de física da Universidade de Missouri, desenvolveram uma nova classe de materiais com desempenho superior e toxicidade reduzida. Seu processo, documentado em "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, "é publicado em Materiais avançados .
Ravichandran, a liderança nesta pesquisa, é um cientista de materiais, que sempre se interessou em compreender o fluxo de elétrons e calor através dos materiais, bem como a forma como os elétrons interagem com os materiais. Este conhecimento profundo de como a composição do material afeta o movimento do elétron foi fundamental para a inovação mais recente de Ravichandran e seus colegas.
Computadores e eletrônicos estão cada vez melhores, mas de acordo com Jayakanth Ravichandran, o investigador principal deste estudo, "o desempenho do dispositivo mais básico - os transistores - não está melhorando." Existe um platô em termos de desempenho, conforme observado pelo que é considerado o "fim da lei de Moore". Semelhante à eletrônica, há muito interesse em desenvolver semicondutores de alto desempenho para optoeletrônicos. A equipe colaborativa de cientistas de materiais e engenheiros elétricos queria desenvolver novos materiais que pudessem apresentar as propriedades ópticas e elétricas ideais para uma variedade de aplicações, como monitores, detectores e emissores de luz, bem como células solares.
Os pesquisadores desenvolveram uma classe de semicondutores chamada "calcogenetos de perovskita de metal de transição". Atualmente, os semicondutores mais úteis não possuem portadores suficientes para um determinado volume de material (uma propriedade que é conhecida como "densidade de estados"), mas eles transportam elétrons rapidamente e, portanto, são conhecidos por terem alta mobilidade. O verdadeiro desafio para os cientistas tem sido aumentar essa densidade de estados nos materiais, mantendo alta mobilidade. Prevê-se que o material proposto possui essas propriedades conflitantes.
Como um primeiro passo para mostrar suas aplicações potenciais, os pesquisadores estudaram sua capacidade de absorver e emitir luz. "Existe um ditado, "diz Ravichandran sobre o diálogo entre aqueles nos campos da óptica e fotônica, "que um LED muito bom também é uma célula solar muito boa." Como os materiais desenvolvidos por Ravichandran e seus colegas absorvem e emitem luz de maneira eficaz, células solares são uma aplicação possível.
As células solares absorvem a luz e a convertem em eletricidade. Contudo, os painéis solares são feitos de silício, que vem da areia através de um processo de extração altamente intensivo em energia. Se as células solares pudessem ser feitas de um novo, material semicondutor alternativo, como o criado pelos pesquisadores do USC Viterbi - um material que poderia acomodar mais elétrons para um determinado volume (e reduzindo a espessura dos painéis), as células solares poderiam ser mais eficientes - talvez usando cem vezes menos material para gerar a mesma quantidade de energia. Este novo material, se aplicado na indústria de energia solar, poderia tornar a energia solar mais barata.
Embora seja um longo caminho para trazer essa classe de materiais ao mercado, a próxima etapa é recriar esse material em uma forma de filme ultrafino para fazer células solares e testar seu desempenho. “A principal contribuição deste trabalho, "diz Ravichandran, "é o nosso novo método de síntese, o que é uma melhoria drástica em relação aos estudos anteriores. Também, nossa demonstração de ampla sintonização em propriedades ópticas (especialmente band gap) é promissora para o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos com propriedades ópticas ajustáveis. "
