Na busca por projetar células solares e diodos emissores de luz (LEDs) mais eficientes, uma equipe de engenheiros analisou diferentes tipos de defeitos no material semicondutor que permite que tais dispositivos determinem se e como eles afetam o desempenho.

Rohan Mishra, professor assistente de engenharia mecânica e ciência dos materiais na McKelvey School of Engineering da Washington University em St. Louis, liderou uma ampla equipe de pesquisadores, incluindo a Universidade de Washington, no Oak Ridge National Laboratory no Tennessee e na University of Missouri-Columbia - que estudou a estrutura e as propriedades dos defeitos planares de ocorrência comum em escala atômica, que abrange apenas alguns décimos de nanômetro.

A equipe de Mishra estudou perovskitas de haleto de chumbo, uma nova classe de semicondutores de alto desempenho que estão sendo explorados para a próxima geração de células solares de baixo custo para permitir a conversão de energia solar em eletricidade com alta eficiência.

Quando esses materiais são feitos, defeitos podem ocorrer onde diferentes cristais se encontram, conhecido como limites de grãos. Em semicondutores convencionais, esses defeitos podem diminuir sua condutividade elétrica e a eficiência de conversão de energia solar em eletricidade; Contudo, em perovskitas de haleto de chumbo, existem diferentes relatórios experimentais sobre a atividade dos limites de grãos. Em alguns casos, eles são considerados prejudiciais, enquanto em outros casos eles não têm impacto no desempenho ou são até benéficos. Mas, Até a presente data, ninguém entendeu por quê. A equipe de Mishra explicou por que em Materiais avançados , 3 de dezembro.

"Um pequeno defeito na escala atômica tem um grande impacto na célula solar, "Mishra disse." Se um átomo específico está faltando nesses limites de grão, seu celular não funcionará bem. "

No Oak Ridge National Lab, Arashdeep Singh Thind, um estudante de doutorado no Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Washington que trabalha no laboratório de Mishra, realizou a imagem com um dos microscópios eletrônicos mais poderosos para observar a estrutura atômica dos contornos dos grãos. Guangfu Luo, um ex-cientista pesquisador no laboratório de Mishra que é professor assistente na Southern University of Science and Technology em Shenzen, China, em seguida, usou cálculos de mecânica quântica realizados em alguns dos supercomputadores mais rápidos para compreender as propriedades eletrônicas desses limites de grão.

Em semicondutores de silício, limites de grãos causam estragos, mas em perovskitas de haleto de chumbo, eles não podem. E isso depende da concentração dos íons haleto, um elemento crítico para as propriedades.

"Se você cultivar os cristais em um ambiente pobre em haletos, então os limites dos grãos são terríveis para o desempenho, "Mishra disse." Mas se você pode cultivá-los ou recozê-los [aquecer e recombinar] em uma atmosfera rica em haletos, os limites dos grãos estão bem. "

Thind também olhou para outro tipo de falha planar conhecida como falhas de Ruddlesden-Popper, em que os planos de cristais empilham incorretamente; por exemplo, em vez de estar alinhado em linhas organizadas, uma das linhas é deslocada ligeiramente para a esquerda ou direita por uma coluna atômica. Novamente, usando cálculos de mecânica quântica, Luo e Mishra descobriram que, por ter uma grande densidade de tais falhas de empilhamento, pode ser possível obter emissão óptica brilhante de nanopartículas grandes e mais estáveis ​​de certas perovskitas de haleto de chumbo, o que poderia abrir caminho para LEDs com vida útil mais longa.

"O desafio para os experimentalistas é projetar falhas de empilhamento em distâncias periódicas, "Mishra disse.

Em uma pesquisa relacionada publicada na ACS Applied Nano Materials em 16 de outubro, A equipe de Mishra trabalhou com pesquisadores da Universidade de Missouri-Columbia, que encontraram uma nova rota química para promover o crescimento de perovskitas de haleto de chumbo com alta densidade dessas falhas de empilhamento. Ao remover ligantes de superfície, um íon ou molécula que se liga a um átomo de superfície de um nanocristal, nanocristais menores de perovskita de haleto de chumbo se fundiram e cresceram de cerca de 8 nanômetros para 60 nanômetros em 48 horas.

Esses novos nanocristais tinham propriedades ópticas significativamente aprimoradas devido às falhas de empilhamento formadas durante o processo de fusão, que Thind encontrou usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura de resolução atômica. Além disso, os nanocristais eram mais estáveis ​​quando expostos à luz, tinha linhas de emissão mais nítidas e um rendimento quântico mais alto. Com esses defeitos, espera-se que os novos nanocristais melhorem as propriedades de emissão de luz dos nanocristais de perovskita de haleto de chumbo, resultando em melhores LEDs e outros dispositivos optoeletrônicos.

Esta nova informação dá aos engenheiros como Mishra e Thind mais informações para encontrar alternativas para o chumbo em células solares, que não contém apenas chumbo tóxico, mas também são instáveis ​​na luz, umidade e calor e se desfazem em questão de dias, vazamento de chumbo nas águas subterrâneas. Mishra está estudando se um elemento não tóxico - bismuto, vizinho do chumbo na tabela periódica - é um substituto mais seguro e igualmente eficiente para o chumbo em perovskitas.