Nomeado após um mineral descoberto nos Montes Urais da Rússia, perovskitas ocuparam o centro do palco como uma classe de materiais com propriedades que poderiam ser aplicadas a dispositivos eletrônicos e de energia do futuro.

Filmes semicondutores feitos de perovskitas prometem flexibilidade, células solares leves, baratas e facilmente feitas de materiais abundantes. Embora ainda não estejam disponíveis comercialmente - os obstáculos incluem torná-los mais estáveis ​​e duráveis ​​-, eles podem transformar a indústria de energia solar nas próximas uma ou duas décadas.

Para cientistas, perovskitas também apresentam um quebra-cabeça interessante:comece com qualquer número de variações nos ingredientes básicos para fazê-los - chumbo, iodeto e metilamônio - e você acaba com o mesmo material básico. Ainda, ajustes na química em vários estágios do processo podem levar a perovskitas com qualidades mais desejáveis ​​para células solares.

Para pesquisadores da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e da Stanford University, o mistério e o potencial das perovskitas convergem em experimentos em que raios X extremamente brilhantes são usados ​​para estudar a química do material nos próprios momentos em que está sendo formado. A facilidade do usuário DOE Office of Science no SLAC National Accelerator Laboratory oferece várias maneiras de abordar o problema e descobrir novos insights sobre este material útil.

Pedimos aos cientistas da equipe do SSRL, Christopher Tassone e Kevin Stone, Stanford Chemistry Ph.D. estudante Aryeh Gold-Parker e Michael Toney, chefe da divisão de ciência de materiais SSRL, o que eles descobriram recentemente sobre a química da perovskita e aonde esperam que seu trabalho os leve.

A pesquisa deles foi publicada hoje em Nature Communications .

Como são feitas as perovskitas, e o que te interessa neste processo?

Stone:Você começa dissolvendo alguns ingredientes básicos em um solvente. Então você deposita essa solução e seca em um filme. O filme é então transformado na perovskita final por um tratamento como o recozimento, que envolve aquecê-lo até uma determinada temperatura e, em seguida, resfriá-lo novamente. Estamos interessados ​​na química de todo esse processo e como ele evolui em cada estágio. A ideia é que se você puder entender o que chamamos de "química de formação" de perovskitas, você pode criar os materiais para ter as propriedades exatas que deseja.

Gold-Parker:Existem dezenas de métodos diferentes para depositar filmes de perovskita, por exemplo. E esses métodos levam a diferenças de espessura, textura, tamanho de grão e cristalinidade dos filmes. No laboratório, a criação de perovskitas com características distintas é feita principalmente por tentativa e erro. Os engenheiros fazem pequenas alterações no processo para otimizar a propriedade específica na qual estão interessados, seja voltagem da célula solar ou desempenho. Tentativa e erro podem funcionar, mas não é eficiente.

Tassone:Meu grupo está realmente interessado em como fazemos grandes quantidades de painéis solares de maneira muito barata para atender à crescente demanda por energia solar e metas de energia limpa. As células solares de silício convencionais não podem ser fabricadas com rapidez suficiente. Acreditamos que se pudermos entender as transformações químicas que estão ocorrendo durante o processo de fabricação das células solares de perovskita, podemos, em última análise, projetar processos melhores que atendam às necessidades da indústria.

Sobre o que foi seu último estudo?

Gold-Parker:Nosso estudo se baseia no trabalho de outros grupos de pesquisadores em Oxford, Cornell e Stanford mostraram que o uso de cloro no processamento pode resultar em filmes de perovskita de alta qualidade com desempenho impressionante. Depois que a solução é depositada, há uma etapa intermediária em que se forma um filme cristalino - chamamos isso de precursor - e então um sal gasoso de cloro chamado cloreto de metilamônio (MACI) deixa o filme continuamente enquanto se converte em uma perovskita. Alguns anos atrás, um estudo SSRL por mim mesmo, Toney e colegas de trabalho mostraram que resta muito pouco cloro no produto final. Mesmo que você comece com bastante cloro, a grande maioria é perdida no processamento.

Stone:Neste último estudo, queríamos saber:para onde vai o cloro e para que serve? Por que o cloro em primeiro lugar? Em que consiste o precursor, e como isso está influenciando essa transformação?

O que você descobriu?

Stone:Conseguimos descobrir qual é a estrutura desse precursor cristalino, como os átomos são colocados juntos, e aproximadamente a quantidade de cloro presente. Quando aquecemos durante a fase de recozimento, vemos que o precursor cristalino persiste por um bom tempo antes de começar a se transformar em perovskita.

Gold-Parker:Também pudemos mostrar que a transformação na perovskita final é limitada pela evaporação gradual de MACl, e que essa transformação lenta pode realmente levar a um material de perovskita de qualidade superior.

Toney:Existem também implicações mais amplas. Cálculos teóricos podem dizer com boa precisão as propriedades que seu material terá. Mas eles não fornecem quase nenhuma orientação sobre como proceder para sintetizá-lo. Esta questão tem gerado interesse na comunidade científica ao longo de muitas décadas, mas ainda mais nos últimos cinco anos, no que tem sido chamado de ciência de síntese:entender como você realmente faz algo. Quais são os processos pelos quais o material passa, os caminhos? Este estudo é um exemplo muito bom de ser capaz de desembaraçar esse processo de síntese, e, como resultado, obter uma visão de como poderíamos reformulá-lo.

Como você estudou isso?

Tassone:Usamos várias versões de duas técnicas chamadas de espalhamento de raios-X e espectroscopia de raios-X. O espalhamento de raios X é usado para estudar a estrutura; ele informa onde os átomos estão localizados em materiais cristalinos. A espectroscopia de raios X é uma técnica complementar. Fala sobre a química do filme, quanto dos diferentes elementos químicos estão presentes e como eles estão ligados.

Gold-Parker:Esses métodos nos permitiram sondar mudanças na estrutura do cristal e na quantidade de cloro durante a transformação, bem como o estado químico do cloro. E muito importante, usamos cada uma dessas técnicas in situ - ou quando as mudanças estão realmente ocorrendo. O SSRL tem recursos de classe mundial para projetar e realizar esses tipos de experimentos in situ que monitoram o processo real, em vez de apenas os pontos inicial e final, e isso foi realmente poderoso.

Tassone:O que torna este resultado e nossa abordagem muito fortes é que usamos a interpretação dos dados de espalhamento para informar a interpretação dos dados de espectroscopia, e vice versa. Não teríamos resolvido esse mecanismo sem mover essas coisas juntas. No artigo, traçamos um caminho claro para quem deseja estudar os processos envolvidos na fabricação deste ou de outros materiais. Este é um passo importante na pesquisa de perovskitas, mas também no campo mais amplo da ciência de síntese que Mike descreveu.

Qual é o próximo?

Stone:Eu gostaria de estudar o que acontece na solução antes de secar, portanto, em um estágio anterior do processo. Eu também gostaria de expandir nossos métodos para incluir outros materiais de perovskita.

Toney:Outro ponto a ser investigado está relacionado ao papel do cloro que está presente no filme neste exemplo específico. Ele atua como um mediador ou regulador, e isso retarda a conversão. Como esse conceito geral de mediador - um composto que serve a um propósito, mas não termina em seu material final - funciona neste processo ou em outros processos ou materiais? O silício foi estudado por pelo menos 50 anos, perovskitas para cinco, então temos muito trabalho pela frente.

Tassone:Tenho dois pontos para seguir em frente. Uma é como desenvolvemos os processos que funcionarão em escala e permitirão que a energia solar seja acessível a todos e realmente tenha um grande impacto em nosso cenário energético? O outro é, com base no fato de que as perovskitas são o desenvolvimento de semicondutor mais interessante nas últimas décadas, como podemos utilizar as propriedades exclusivas deste material para outras aplicações também?