O espalhamento de nêutrons revelou, em tempo real, os mecanismos fundamentais por trás da conversão da luz solar em energia em materiais híbridos de perovskita. Uma melhor compreensão desse comportamento permitirá que os fabricantes projetem células solares com maior eficiência.

A equipe multi-institucional de pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, A Hunan University e a University of Nebraska-Lincoln usaram medições de fotoluminescência, junto com espalhamento de nêutrons e raios-x, estudar a relação entre a estrutura microscópica do material e suas propriedades optoeletrônicas. Ao examinar o material sob vários graus de temperatura, os pesquisadores conseguiram acompanhar as mudanças estruturais atômicas e estabelecer como as ligações de hidrogênio desempenham um papel fundamental no desempenho do material. Seus resultados são publicados na revista Materiais avançados .

As perovskitas híbridas prometem ser mais eficientes na conversão de luz em energia do que os materiais de células solares tradicionais. Eles também são mais fáceis de fabricar, pois podem ser fundidos por rotação a partir da solução e não requerem câmaras de alto vácuo para síntese.

Ao contrário de suas contrapartes singulares de silício ou germânio, perovskitas híbridas são feitas de moléculas orgânicas e inorgânicas. A estrutura é construída a partir de moléculas inorgânicas de chumbo e bromo dispostas em unidades octaédricas que formam gaiolas em torno dos cátions de metilamônio orgânicos (íons carregados positivamente) consistindo de carbono, nitrogênio e hidrogênio.

"A vantagem de ter moléculas orgânicas e inorgânicas em uma estrutura cristalina bem definida significa que podemos ajustar o material ajustando um grupo ou outro para otimizar as propriedades, "disse Kai Xiao, um pesquisador do Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL. "Mas, embora os pesquisadores venham estudando esses materiais há vários anos, ainda não entendemos totalmente em um nível fundamental como os componentes orgânicos estão afetando as propriedades. "

Encontrar a combinação certa e orientação molecular dos componentes orgânicos / inorgânicos é a chave para desbloquear mais funcionalidade, mas entender essas interações requer as ferramentas certas.

"Os nêutrons são muito bons nisso porque são sensíveis a elementos mais leves como o hidrogênio, "disse o cientista de instrumentos do ORNL Xiaoping Wang." Porque somos capazes de rastrear cada nêutron, obtemos informações sobre coisas como onde os átomos estão, qual é a temperatura deles, e como eles estão se comportando. "

Usando o instrumento TOPAZ na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL, a equipe foi capaz de observar as interações das ligações de hidrogênio em escala atômica.

O experimento revelou que o material passa por mudanças estruturais significativas entre aproximadamente 150 e 130 Kelvin (cerca de -190 e -225 graus Fahrenheit). O resfriamento do material desacelerou o movimento do componente orgânico em um estado ordenado, em que medições in situ precisas foram feitas em tempo real para observar exatamente como as moléculas orgânicas se ligavam ao componente chumbo-bromo por meio de ligações de hidrogênio.

"Vimos que a ordem está diretamente relacionada à ligação de hidrogênio na estrutura, e como quaisquer mudanças podem afetar a lacuna de energia do material, "disse Wang." Isso nos permite saber quão bem a luz solar está sendo absorvida e o que isso pode significar em termos de aplicações para materiais fotovoltaicos. "

Fotoluminescência complementar e medições de espalhamento de raios-X, junto com a síntese de cristal, foram realizadas no CNMS. Os cálculos teóricos foram realizados por cientistas da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL.

"As perovskitas híbridas já são um bom material, "disse Xiao." Agora que sabemos como a orientação das moléculas orgânicas afeta a estrutura do cristal, e como podemos ajustá-los ainda mais para alterar as propriedades desejadas, esta nova compreensão fundamental nos permitirá projetar novos materiais com potencial ainda maior. "