As perovskitas híbridas são materiais espetacularmente eficientes para energia fotovoltaica. Poucos anos depois que as primeiras células solares foram fabricadas, eles já alcançaram eficiências de conversão solar superiores a 22 por cento. Interessantemente, os mecanismos fundamentais responsáveis ​​por essa alta eficiência ainda estão sendo vigorosamente debatidos.

Uma compreensão completa desses mecanismos é essencial para permitir melhorias adicionais, e estudos computacionais conduzidos usando o Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional (NERSC) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley produziram novos insights críticos. Grupo de Chris Van de Walle na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara (UCSB) relatou essas descobertas em dois artigos recentes:X. Zhang, J.-X. Shen, W. Wang, e C. G. Van de Walle, ACS Energy Lett . 3, 2329 (2018) e J.-X. Shen, X. Zhang, S. Das, E. Kioupakis, e C. G. Van de Walle, Adv. Energy Mater . 8, 1801027 (2018).

As perovskitas híbridas são um grupo de materiais que combinam moléculas orgânicas com uma estrutura inorgânica em uma estrutura de rede perovskita. Vários grupos de pesquisa atribuíram anteriormente a alta eficiência das perovskitas híbridas a um gap indireto originado de um forte acoplamento spin-órbita. Foi argumentado que a natureza indireta do gap suprime a recombinação radiativa entre elétrons e buracos e, assim, minimiza a indesejável recombinação de portadores. UCSB pós-doutorado Xie Zhang e Ph.D. o aluno Jimmy-Xuan Shen (que desde então se formou) demonstrou que isso estava incorreto ao desenvolver uma abordagem de primeiros princípios para determinar com precisão a textura de spin das bordas da banda e calcular quantitativamente as taxas de recombinação radiativa. Para o iodeto de chumbo metilamônio (o protótipo de perovskita híbrida comumente referido como MAPI), eles descobriram que a recombinação radiativa é realmente tão forte quanto nos semicondutores de gap direto convencionais.

"Este resultado deve acabar com as tentativas equivocadas de analisar e projetar as características do dispositivo com base em suposições errôneas sobre a taxa de recombinação, "disse Zhang.

A forte recombinação radiativa significa que esses materiais também são úteis para aplicações de diodos emissores de luz (LED). Contudo, as densidades de corrente em LEDs são muito maiores do que em células solares, e em altas concentrações de portadores, os processos de recombinação não radiativa podem se tornar prejudiciais. Essas perdas não radiativas foram observadas, mas experimentalmente não é possível identificar as origens microscópicas. Shen e Zhang se basearam na experiência do grupo Van de Walle para calcular com precisão a taxa de recombinação a partir dos primeiros princípios. Eles também conseguiram vincular com precisão a taxa aos recursos da estrutura eletrônica.

"A recombinação Auger é um processo no qual dois portadores se recombinam através do gap e o excesso de energia é transferido para um terceiro portador, "explicou Shen." Descobrimos que o coeficiente Auger no MAPI é inesperadamente grande:duas ordens de magnitude maior do que em outros semicondutores com lacunas de banda comparáveis. "

Os pesquisadores identificaram duas características distintas do material que são responsáveis:uma ressonância entre a lacuna de banda e a divisão induzida por spin-órbita das bandas de condução, e a presença de distorções estruturais que promovem o processo Auger.

"Esses cálculos são extremamente exigentes, e o poder de computação fornecido pelo NERSC foi fundamental na obtenção desses resultados, "comentou Van de Walle." Fomos capazes de demonstrar que as perdas do trado podem ser suprimidas se as distorções da rede forem reduzidas, e propomos abordagens específicas para conseguir isso em materiais reais. "