Uma equipe de pesquisadores do MIT e da Northwestern University demonstrou a capacidade de ajustar as propriedades eletrônicas de materiais híbridos de perovskita, que têm atraído enorme interesse como potenciais materiais optoeletrônicos de próxima geração para dispositivos como células solares e fontes de luz.

Os materiais são classificados como "híbridos" porque contêm componentes inorgânicos como metais, bem como moléculas orgânicas com elementos como carbono e nitrogênio, organizados em camadas em nanoescala. Em um artigo publicado online esta semana em Química da Natureza , os pesquisadores mostraram que, ao variar estrategicamente a composição das camadas orgânicas, eles podiam ajustar a cor da luz absorvida pela perovskita e também o comprimento de onda no qual o material emitia luz. Mais importante, eles conseguiram isso sem alterar substancialmente o componente inorgânico.

"Até agora, a maioria das evidências experimentais e teóricas indicou que as camadas orgânicas simplesmente agem como espaçadores inertes, cujo único papel é separar as camadas inorgânicas eletronicamente ativas, "diz Will Tisdale, o ARCO Career Development Professor in Energy Studies no MIT e co-autor correspondente no artigo. "Esses novos resultados mostram que podemos ensinar a camada orgânica a fazer muito mais."

"Nosso laboratório tem se interessado no projeto de novos materiais híbridos que combinam componentes inorgânicos e orgânicos para criar propriedades sinérgicas, e é precisamente isso que fizemos neste trabalho sobre os materiais energéticos emocionantes conhecidos como perovskitas, "diz Samuel Stupp, Professor de Química do Conselho de Curadores, Ciência e Engenharia de Materiais, Medicina, e Biomedical Engineering na Northwestern e co-autor correspondente no artigo.

Perovskitas, descoberto pela primeira vez como minerais naturais nos Montes Urais há quase 200 anos, foram investigados vigorosamente na última década, depois que foi determinado que eles poderiam transformar luz em eletricidade utilizável. Esses materiais são considerados uma possível chave para um futuro de energia sustentável porque são menos caros de fabricar do que as populares células solares à base de silício, e pode converter luz em eletricidade de forma quase tão eficiente.

Contudo, As células solares de perovskita são muito menos duráveis ​​e estáveis ​​em condições externas devido à sua sensibilidade ao calor e à umidade. Cientistas descobriram recentemente que dividir a estrutura 3-D tradicional das perovskitas em muitas camadas finas - variando de poucos átomos a dezenas de átomos de espessura - melhora a estabilidade e o desempenho.

Em perovskitas em camadas, a camada inorgânica absorve luz e produz as cargas que eventualmente são necessárias para produzir energia elétrica. As camadas orgânicas normalmente são isolantes e agem como paredes gigantes, evitando que as cargas geradas pela luz saiam da camada inorgânica.

"Esta colaboração tem sido empolgante porque os materiais que o grupo Stupp nos enviou de Northwestern estavam exatamente em linha com as perguntas que estávamos fazendo no MIT, sobre como os excitons nas camadas inorgânicas da perovskita podem ser influenciados pelas propriedades das camadas orgânicas, "diz Katie Mauck, um ex-pós-doutorado no grupo Tisdale e agora um professor assistente de química no Kenyon College. Junto com James Passarelli, um estudante de pós-graduação no grupo Stupp, ela é a co-autora do artigo. "A abordagem modular de James para a síntese de perovskita nos permitiu ajustar de forma controlada a interação entre essas camadas e estudar os efeitos na dinâmica do exciton em profundidade, por espectroscopia no laboratório de Tisdale. "

"Quando a luz é absorvida por semicondutores como as perovskitas, elétrons com sua carga negativa adquirem energia e se afastam, "Stupp diz." Isso cria uma força atrativa com os sites com carga positiva que eles deixam para trás, já que a matéria quer ser neutra. Fomos capazes de controlar a magnitude desta força incorporando tipos específicos de moléculas dentro das camadas orgânicas, o que, por sua vez, modifica suas propriedades interessantes. "

A colaboração Northwestern-MIT começou após um encontro casual entre Mauck e um membro do laboratório Stupp em uma conferência científica no verão de 2018. O laboratório Stupp já havia realizado um trabalho pioneiro na síntese de materiais híbridos orgânicos inorgânicos para aplicações potenciais em energia e medicina, enquanto o grupo Tisdale é especializado no uso de lasers para investigar as propriedades dos nanomateriais.

Esses interesses se sobrepõem perfeitamente para este projeto, enquanto o grupo Stupp desenvolveu as estruturas híbridas de perovskita e o grupo Tisdale realizou as medições espectroscópicas precisas necessárias para confirmar as interações dentro dos sistemas.

No futuro, a capacidade de ajustar as propriedades eletrônicas desses materiais pode ser aplicada a vários sensores ópticos ou eletrônicos - incluindo sensores moleculares que aproveitam a presença de camadas orgânicas - bem como células solares e detectores de luz.

"Além de um caminho para dispositivos optoeletrônicos aprimorados, este trabalho ressalta algumas das vantagens exclusivas dos semicondutores em nanoescala, que são mais sensíveis ao ambiente circundante do que os materiais a granel, "Tisdale diz." As lições que aprendemos no contexto de perovskitas em camadas híbridas podem ser estendidas a muitos outros materiais emergentes. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.