Quando uma célula solar absorve um fóton de luz, começa uma corrida eletrônica contra o tempo. Duas partículas - um elétron com carga negativa e um "buraco" com carga positiva - geram eletricidade se se separarem totalmente.

Contudo, quando essas partículas ficam presas dentro de um material solar antes que possam se separar totalmente, pode diminuir a capacidade do material de converter luz em eletricidade.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) publicaram um novo estudo que identifica o processo pelo qual os buracos ficam presos em nanopartículas feitas de óxido de zinco, um material de potencial interesse para aplicações solares porque absorve luz ultravioleta.

"Se você está fazendo uma célula solar, você deseja evitar orifícios aprisionados; mas se você está fazendo um fotocatalisador, você quer capturá-los. "- Cientista de raios-X Christopher Milne do Instituto Paul Scherrer da Suíça.

Usando raios-X produzidos pela Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), os pesquisadores foram capazes de ver o aprisionamento de buracos em regiões específicas da nanopartícula. Isso representa um avanço notável, como experiências anteriores foram capazes de detectar a migração e aprisionamento de elétrons, mas não buracos.

De acordo com Stephen Southworth, um autor do estudo, alguns consideram o óxido de zinco como uma possível alternativa ao dióxido de titânio, o material fotovoltaico mais comumente usado. Compreender o comportamento de armadilha de buraco é necessário para avaliar a viabilidade do material em aplicações de energia solar, ele disse.

Embora a retenção de orifícios prejudique o desempenho de dispositivos fotovoltaicos, pode melhorar a capacidade do óxido de zinco de atuar como fotocatalisador, já que cargas positivas armazenadas nas armadilhas dentro do material podem continuar a atuar como participantes em reações químicas.

"Se você está fazendo uma célula solar, você deseja evitar orifícios aprisionados; mas se você está fazendo um fotocatalisador, você quer prendê-los, "disse o líder do projeto, Christopher Milne, um cientista de raios-X no Instituto Paul Scherrer, na Suíça. "Sem considerar, entender como esses átomos ficam presos - e por quanto tempo - é crucialmente importante para fazer materiais funcionais que convertem luz em energia utilizável. "

Os pesquisadores determinaram que os buracos ficaram presos nas "lacunas de oxigênio" - lugares dentro da estrutura cristalina onde um átomo de oxigênio está faltando. Óxido de zinco, Milne disse, tem uma estrutura cristalina que lhe permite ter muitas dessas vagas. O aprisionamento acontece porque as vagas têm um nível de energia menor que o ambiente circundante, criando uma fenda energética para a passagem de furos.

Para fazer suas medições, os pesquisadores combinaram duas técnicas diferentes de raios-X:espectroscopia de absorção de raios-X e espectroscopia de emissão de raios-X ressonantes. "Combinar essas técnicas é exclusivamente possível com a configuração que temos no APS, dando-nos uma visão que nos mostra a geometria atômica e a estrutura eletrônica do material, "disse o físico de raios-X de Argonne Gilles Doumy, um autor do estudo, que usou a linha de luz 7ID-D no APS.

"APS foi um dos únicos lugares do mundo onde poderíamos ter feito este experimento. Foi uma colaboração muito frutífera, "disse Milne. O APS é um recurso do DOE Office of Science.

Os pesquisadores indicaram que estudos futuros do sistema poderiam se beneficiar da capacidade de obter instantâneos extremamente rápidos do comportamento de armadilhagem. Tal experimento poderia ser conduzido em instalações de laser de elétrons livres de raios-X, como a Linac Coherent Light Source da SLAC, também um DOE Office of Science User Facility.

"Essencialmente, queremos ver o mesmo processo, mas temos a capacidade de tirar fotos mil vezes mais rápido, "disse Southworth.

"A funcionalidade do material sempre dependerá de como o comportamento nos momentos iniciais do processo influencia o comportamento em momentos posteriores e mais longos, "acrescentou Doumy." Precisamos das duas fotos para um entendimento abrangente. "

Um artigo baseado na pesquisa, "Revelando o aprisionamento de buracos em nanopartículas de óxido de zinco por espectroscopia de raios-X resolvida no tempo, "apareceu na edição online de 2 de fevereiro da Nature Communications .