Nos últimos anos, as perovskitas tomaram de assalto a indústria de células solares. São baratos, fáceis de produzir e muito flexíveis em suas aplicações. Sua eficiência na conversão de luz em eletricidade cresceu mais rápido do que a de qualquer outro material - de menos de quatro por cento em 2009 para mais de 20 por cento em 2017 - e alguns especialistas acreditam que as perovskitas poderiam eventualmente superar o material de célula solar mais comum, silício. Mas apesar de sua popularidade, os pesquisadores não sabem por que os perovskitas são tão eficientes.

Agora, experimentos com uma poderosa "câmera de elétrons" no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia descobriram que a luz gira átomos em perovskitas, potencialmente explicando a alta eficiência desses materiais de células solares de próxima geração e fornecendo pistas para fazer outros melhores.

"Demos um passo para resolver o mistério, "disse Aaron Lindenberg do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) e do Instituto PULSE de Stanford para ciência ultrarrápida, que são operados em conjunto pela Stanford University e SLAC. "Gravamos filmes que mostram que certos átomos em uma perovskita respondem à luz em trilionésimos de segundo de uma maneira muito incomum. Isso pode facilitar o transporte de cargas elétricas através do material e aumentar sua eficiência."

O estudo foi publicado hoje em Avanços da Ciência .

A luz define a estrutura atômica em movimento

Quando a luz brilha em um material de célula solar, sua energia desloca alguns dos elétrons carregados negativamente do material. Isso deixa para trás "buracos de elétrons" com uma carga positiva onde os elétrons estavam originalmente localizados. Elétrons e buracos migram para lados opostos do material, criando uma voltagem que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos.

A eficiência de uma célula solar depende de quão livremente os elétrons e buracos podem se mover no material. Sua mobilidade, por sua vez, depende da estrutura atômica do material. Em células solares de silício, por exemplo, átomos de silício se alinham de forma muito ordenada dentro dos cristais, e até mesmo os menores defeitos estruturais reduzem a capacidade do material de colher luz com eficiência.

Como resultado, os cristais de silício devem ser cultivados em custos elevados, procedimentos multipasso sob condições extremamente limpas. Em contraste, "As perovskitas são prontamente produzidas pela mistura de produtos químicos em um solvente, que evapora para deixar uma película muito fina de material perovskita, "disse Xiaoxi Wu, o principal autor do estudo do SIMES no SLAC. "Processamento mais simples significa custos mais baixos. Ao contrário das células solares de silício, filmes finos de perovskita também são leves e flexíveis e podem ser facilmente aplicados a praticamente qualquer superfície. "

Mas o que exatamente há nas perovskitas que permite que algumas capturem a luz de maneira muito eficiente? Os cientistas acham que uma das chaves é como seus átomos se movem em resposta à luz.

Descobrir mais, Wu e seus colegas estudaram esses movimentos em um protótipo de material feito de iodo, chumbo e uma molécula orgânica chamada metilamônio. Os átomos de iodo são organizados em octoedros - estruturas de oito lados que parecem duas pirâmides unidas em suas bases. Os átomos de chumbo ficam dentro dos octoedros e as moléculas de metilamônio entre os octoedros (veja o diagrama abaixo). Esta arquitetura é comum a muitas das perovskitas investigadas para aplicações em células solares.

"Estudos anteriores exploraram principalmente o papel dos íons metilamônio e seus movimentos no transporte de carga elétrica através do material, "Disse Wu." No entanto, descobrimos que a luz causa grandes deformações na rede de átomos de chumbo e iodo que podem ser cruciais para a eficiência das perovskitas. "

Distorções incomuns podem aumentar a eficiência

Na Área de Teste de Estrutura do Acelerador do SLAC (ASTA), os pesquisadores primeiro assistiram a um filme de perovskita, menos de dois milionésimos de polegada de espessura, com pulso de laser de 40 femtossegundos. Um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de um segundo. Para determinar a resposta atômica, eles enviaram um pulso de 300 femtossegundos de elétrons altamente energéticos através do material e observaram como os elétrons foram desviados no filme. Esta técnica, chamado difração de elétrons ultrarrápida (UED), permitiu-lhes reconstruir a estrutura atômica.

"Ao repetir o experimento com diferentes atrasos de tempo entre os dois pulsos, obtivemos um filme em stop-motion dos movimentos dos átomos de chumbo e iodo após a luz atingir, "disse o co-autor Xijie Wang, Cientista chefe do SLAC para UED. "O método é semelhante a tirar uma série de instantâneos ultrarrápidos de raios-X, mas os elétrons nos dão sinais muito mais fortes para amostras finas e são menos destrutivos. "

A equipe esperava que o pulso de luz afetasse os átomos uniformemente em todas as direções, fazendo-os balançar em torno de suas posições originais.

"Mas não foi isso que aconteceu, "Disse Lindenberg." Dentro de 10 trilionésimos de segundo após o pulso de laser, os átomos de iodo giravam em torno de cada átomo de chumbo como se estivessem se movendo na superfície de uma esfera com o átomo de chumbo no centro, trocando cada octaedro de uma forma regular para uma distorcida. "

As surpreendentes deformações foram de longa duração e inesperadamente grandes, semelhantes em tamanho aos observados em cristais em fusão.

"Este movimento pode alterar a forma como as cargas se movem, "Disse Wu." Esta resposta à luz pode aumentar a eficiência, por exemplo, permitindo que cargas elétricas migrem através de defeitos e protegendo-as de ficarem presas no material. "

"Os resultados do grupo de Lindenberg fornecem informações fascinantes pela primeira vez sobre as propriedades de perovskitas híbridas usando difração de elétrons ultrarrápida como uma ferramenta única, "de acordo com Felix Deschler, um especialista no campo da física induzida pela luz de novos materiais e um pesquisador do Cavendish Lab da Universidade de Cambridge.

"O conhecimento sobre o movimento atômico detalhado após a fotoexcitação produz novas informações sobre seu desempenho e pode fornecer novas diretrizes para o desenvolvimento de materiais."