Os cientistas obtiveram novos insights sobre um mistério fundamental sobre perovskitas híbridas, materiais de baixo custo que podem melhorar ou mesmo substituir as células solares convencionais feitas de silício.

Sob um microscópio, uma fatia de perovskita parece um mosaico abstrato de grãos aleatórios de cristal. O mistério é como essa colcha de retalhos de minúsculos, grãos imperfeitos podem transformar a luz do sol em eletricidade com a mesma eficiência de um único cristal de silício puro.

Um estudo recente realizado por cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia oferece novas pistas. Escrevendo na edição de 15 de março da Materiais avançados , os cientistas fornecem uma nova compreensão de como as cargas elétricas se separam em perovskitas alguns bilionésimos de segundo após a absorção da luz, o primeiro passo crucial na geração de uma corrente elétrica.

O estudo é o primeiro a sondar o funcionamento interno de perovskitas híbridas em escala atômica usando pulsos de laser que correspondem à intensidade da radiação solar, e assim imitar a luz solar natural. Os autores dizem que sua descoberta pode levar a melhorias no desempenho das células solares de perovskita e a uma nova maneira de testar sua funcionalidade.

Perovskitas e Silício

A maioria das células solares hoje são feitas de silício purificado fabricado em temperaturas acima de 3, 000 graus Fahrenheit (1, 600 graus Celsius). Esses painéis de silício rígidos podem durar décadas em todos os tipos de condições climáticas.

Células solares perovskita, embora muito menos durável, são mais finas e mais flexíveis do que as células de silício e podem ser produzidas próximo à temperatura ambiente a partir de uma mistura híbrida de materiais orgânicos e inorgânicos baratos, como iodo, chumbo e metilamônio.

Pesquisadores, incluindo o co-autor de Stanford, Michael McGehee, demonstraram que as células solares de perovskita são tão eficientes na conversão de luz em eletricidade quanto as células de silício disponíveis no mercado e podem até superá-las. Esta combinação de eficiência, a flexibilidade e a fácil síntese alimentaram uma corrida mundial para desenvolver perovskitas de nível comercial que podem resistir à exposição de longo prazo ao calor e à precipitação.

“As perovskitas são materiais muito promissores para a energia fotovoltaica, "disse o autor principal Burak Guzelturk, um bolsista de pós-doutorado em Stanford e SLAC. "Mas as pessoas se perguntam como podem alcançar essas altas eficiências."

Elétrons e Buracos

Todas as células solares funcionam com o mesmo princípio. Os fótons da luz solar absorvidos pelo material cristalino colocam os elétrons carregados negativamente em um estado de excitação. Os elétrons liberados deixam para trás espaços carregados positivamente ou "buracos" que se separam uns dos outros. Essa separação dá origem a uma corrente elétrica.

Silício puro, com sua estrutura atômica altamente ordenada, fornece um caminho direto para os elétrons e buracos viajarem através da célula solar. Mas com perovskitas, a estrada está longe de ser lisa.

"As perovskitas são normalmente preenchidas com defeitos, "disse o co-autor Aaron Lindenberg, professor associado do SLAC e Stanford e investigador do Instituto de Materiais e Ciências da Energia de Stanford (SIMES). "Eles não estão nem perto de serem cristais perfeitos, no entanto, de alguma forma, as correntes elétricas não veem os defeitos. "

Emissão de Terahertz

Para o estudo, a equipe de pesquisa usou pulsos de laser para simular ondas de luz solar de ambas as extremidades do espectro de luz visível - luz violeta de alta energia e luz infravermelha de baixa energia. Os resultados foram medidos na escala de tempo de picossegundos. Um picossegundo é um trilionésimo de segundo.

"Nos primeiros picossegundos após a luz do sol atingir a perovskita, os elétrons e buracos na rede cristalina começam a se dividir, "Lindenberg explicou." A separação foi descoberta medindo a emissão de pulsos de luz terahertz de alta frequência que oscilam um trilhão de vezes por segundo a partir do filme fino de perovskita. Esta é a primeira vez que alguém observa a emissão de terahertz de perovskitas híbridas. "

A emissão de terahertz também revelou que elétrons e buracos interagem intimamente com as vibrações da rede no material cristalino. Esta interação, que ocorre em uma escala de tempo de femtossegundo, poderia ajudar a explicar como as correntes elétricas navegam através da colcha de retalhos de grãos de cristal em perovskitas híbridas.

"À medida que as cargas elétricas se separam, observamos um pico acentuado na emissão terahertz, combinando um modo vibracional do material, "Guzelturk disse." Isso nos dá evidências claras de que os elétrons e buracos estão fortemente acoplados com as vibrações atômicas no material. "

Esta descoberta levanta a possibilidade de que o acoplamento à vibração da rede poderia proteger os elétrons e buracos de defeitos carregados na perovskita, protegendo a corrente elétrica conforme ela viaja pela célula solar. Cenários semelhantes foram propostos por outras equipes de pesquisa.

"Esta é uma das primeiras observações de como a estrutura atômica local de um material híbrido de perovskita responde nos primeiros trilionésimos de segundo após absorver a luz solar, "Lindenberg disse." Nossa técnica pode abrir uma nova maneira de sondar uma célula solar logo quando o fóton é absorvido, o que é muito importante se você quiser entender e construir materiais melhores. A forma convencional é colocar eletrodos no dispositivo e medir a corrente, mas isso essencialmente obscurece todos os processos microscópicos que são essenciais. Nosso totalmente óptico, abordagem sem eletrodo com resolução de tempo de femtossegundo evita esse problema. "

Elétrons Quentes

Os pesquisadores também descobriram que os campos de luz terahertz são muito mais fortes quando a perovskita é atingida por ondas de luz de alta energia.

"Descobrimos que a luz terahertz irradiada tem ordens de magnitudes mais intensas quando você excita os elétrons com luz violeta em comparação com a luz infravermelha de baixa energia, "Lindenberg disse." Esse foi um resultado inesperado. "

Esta descoberta pode fornecer novos insights sobre elétrons "quentes" de alta energia, Guzelturk disse.

"A luz violeta transmite elétrons com excesso de energia cinética, criando elétrons quentes que se movem muito mais rápido do que outros elétrons, "disse ele." No entanto, esses elétrons quentes perdem seu excesso de energia muito rapidamente. "

Aproveitar a energia dos elétrons quentes pode levar a uma nova geração de células solares de alta eficiência, acrescentou Lindenberg.

"Um dos grandes desafios é encontrar uma maneira de capturar o excesso de energia de um elétron quente antes que ele relaxe, "disse ele." A ideia é que se você pudesse extrair a corrente associada aos elétrons quentes antes que a energia se dissipasse, você pode aumentar a eficiência da célula solar. As pessoas argumentaram que é possível criar elétrons quentes em perovskitas que vivem muito mais tempo do que no silício. Isso é parte da empolgação em torno dos perovskitas. "

O estudo revelou que em perovskitas híbridas, os elétrons quentes separam-se dos buracos com mais rapidez e eficiência do que os elétrons excitados pela luz infravermelha.

"Pela primeira vez, podemos medir a rapidez com que essa separação ocorre, "Lindenberg disse." Isso fornecerá novas informações importantes sobre como projetar células solares que usam elétrons quentes. "

Toxicidade e estabilidade

A capacidade de medir as emissões de terahertz também pode levar a novas pesquisas sobre alternativas não tóxicas às perovskitas convencionais à base de chumbo, disse Guzelturk.

“A maioria dos materiais alternativos considerados não são tão eficientes na geração de eletricidade quanto o chumbo, "disse ele." Nossas descobertas podem nos permitir entender por que a composição de chumbo funciona tão bem enquanto outros materiais não, e investigar a degradação desses dispositivos olhando diretamente para a estrutura atômica e como ela muda. "