O doping duplo pode melhorar a eficiência de coleta de luz de células solares orgânicas flexíveis (à esquerda), a velocidade de comutação do papel eletrônico (centro) e a densidade de potência dos têxteis piezoelétricos (direita). (A célula solar foi fornecida pela Epishine AB.) Crédito:Johan Bodell / Chalmers University of Technology
Pesquisadores da Chalmers University of Technology, Suécia, descobriram um novo ajuste simples que pode dobrar a eficiência da eletrônica orgânica. Telas OLED, células solares baseadas em plástico e bioeletrônica são apenas algumas das tecnologias que podem se beneficiar de sua nova descoberta, que lida com polímeros "duplamente dopados".
A maioria dos eletrônicos é baseada em semicondutores inorgânicos como o silício. Crucial para sua função é um processo chamado doping, que envolve a tecelagem de impurezas no semicondutor para aumentar sua condutividade elétrica. Isso permite que vários componentes em células solares e telas de LED funcionem.
Para orgânico, isto é, à base de carbono - semicondutores, este processo de dopagem também é muito importante. Desde a descoberta de plásticos e polímeros condutores de eletricidade, um campo para o qual o Prêmio Nobel foi concedido em 2000, a pesquisa e o desenvolvimento da eletrônica orgânica aceleraram rapidamente. Os visores OLED são um exemplo que já existe no mercado, por exemplo, na última geração de smartphones. Outras aplicações ainda não foram totalmente realizadas, devido em parte ao fato de que os semicondutores orgânicos ainda não são eficientes o suficiente.
O doping em semicondutores orgânicos opera por meio do que é conhecido como reação redox. Isso significa que uma molécula dopante recebe um elétron do semicondutor, aumentando a condutividade elétrica do semicondutor. Quanto mais moléculas dopantes o semicondutor pode reagir, quanto maior a condutividade - pelo menos até um certo limite, após o qual a condutividade diminui. Atualmente, o limite de eficiência dos semicondutores orgânicos dopados foi determinado pelo fato de que as moléculas dopantes só podiam trocar um elétron cada.
Mas agora, em um artigo na revista científica Materiais da Natureza , o grupo de Christian Müller, professor de ciência de polímeros na Chalmers University of Technology, junto com colegas de outras sete universidades, demonstra que é possível mover dois elétrons para cada molécula dopante.
A dopagem dupla pode melhorar a eficiência de coleta de luz de células solares orgânicas flexíveis. (A célula solar foi fornecida pela Epishine AB.) Crédito:Johan Bodell / Chalmers University of Technology
"Por meio desse processo de dopagem dupla, o semicondutor pode, portanto, se tornar duas vezes mais eficaz, "diz David Kiefer, Ph.D. aluno do grupo e primeiro autor do artigo.
De acordo com Christian Müller, esta inovação não se baseia em grandes realizações técnicas. Em vez de, é simplesmente o caso de ver o que os outros não viram. “Todo o campo de pesquisa está totalmente voltado para o estudo de materiais que permitem apenas uma reação redox por molécula. Escolhemos olhar para um tipo diferente de polímero com menor energia de ionização. Vimos que esse material permitia a transferência de dois elétrons para o dopante molécula. Na verdade, é muito simples, "diz Müller, Professor de Ciência de Polímeros na Chalmers University of Technology.
A descoberta pode permitir melhorias adicionais em tecnologias que hoje não são competitivas o suficiente para chegar ao mercado. Um problema é que os polímeros simplesmente não conduzem a corrente bem o suficiente, portanto, tornar as técnicas de dopagem mais eficazes tem sido um foco para se obter melhores componentes eletrônicos baseados em polímeros. Agora, esta duplicação da condutividade dos polímeros, usando apenas a mesma quantidade de material dopante sobre a mesma área de superfície de antes, poderia representar o ponto de inflexão necessário para comercializar várias tecnologias emergentes.
"Com monitores OLED, o desenvolvimento já avançou o suficiente para que eles já estejam no mercado. Mas para que outras tecnologias tenham sucesso e cheguem ao mercado, algo extra é necessário. Com células solares orgânicas, por exemplo, ou circuitos eletrônicos feitos de material orgânico, precisamos da habilidade de dopar certos componentes na mesma medida que a eletrônica baseada em silício. Nossa abordagem é um passo na direção certa, "diz Müller.
A descoberta oferece conhecimento fundamental e pode ajudar milhares de pesquisadores a alcançar avanços na eletrônica flexível, bioeletrônica e termoeletricidade. O grupo de pesquisa de Christian Müller está pesquisando várias áreas aplicadas com base na tecnologia de polímeros. Entre outras coisas, seu grupo está estudando o desenvolvimento de têxteis condutores de eletricidade e células solares orgânicas.
