p Pesquisadores do departamento de materiais da Faculdade de Engenharia da UC Santa Bárbara descobriram uma das principais causas das limitações de eficiência em uma nova geração de células solares. p Vários possíveis defeitos na rede do que são conhecidas como perovskitas híbridas foram anteriormente considerados como a causa potencial de tais limitações, mas foi assumido que as moléculas orgânicas (os componentes responsáveis ​​pelo apelido "híbrido") permaneceriam intactas. Cálculos de ponta agora revelaram que átomos de hidrogênio ausentes nessas moléculas podem causar perdas maciças de eficiência. As descobertas foram publicadas em um artigo intitulado "Minimizando as vacâncias de hidrogênio para permitir perovskitas híbridas altamente eficientes, "na edição de 29 de abril da revista Materiais da Natureza .

p O notável desempenho fotovoltaico das perovskitas híbridas gerou muita empolgação, dado seu potencial para o avanço da tecnologia de células solares. "Híbrido" refere-se à incorporação de moléculas orgânicas em uma rede de perovskita inorgânica, que tem uma estrutura cristalina semelhante à do mineral perovskita (óxido de cálcio e titânio). Os materiais apresentam eficiências de conversão de energia que rivalizam com o silício, mas são muito mais baratos de produzir. Defeitos na rede cristalina da perovskita, Contudo, são conhecidos por criar dissipação de energia indesejada na forma de calor, que limita a eficiência.

p Uma série de equipes de pesquisa têm estudado esses defeitos, entre eles o grupo do professor de materiais da UCSB, Chris Van de Walle, que recentemente alcançou um grande avanço ao descobrir um defeito prejudicial em um lugar que ninguém havia olhado antes:na molécula orgânica.

p "Iodeto de chumbo de metilamônio é a perovskita híbrida prototípica, "explicou Xie Zhang, pesquisador líder do projeto. "Descobrimos que é surpreendentemente fácil quebrar uma das ligações e remover um átomo de hidrogênio da molécula de metilamônio. A 'vacância de hidrogênio' resultante age como um sumidouro para as cargas elétricas que se movem através do cristal após serem geradas pela queda de luz na célula solar. Quando essas cargas ficam presas na vaga, eles não podem mais fazer um trabalho útil, como carregar uma bateria ou alimentar um motor, daí a perda de eficiência. "

p A pesquisa foi possibilitada por técnicas computacionais avançadas desenvolvidas pelo grupo Van de Walle. Esses cálculos de última geração fornecem informações detalhadas sobre o comportamento da mecânica quântica dos elétrons no material. Mark Turiansky, um estudante de graduação sênior do grupo de Van de Walle que estava envolvido na pesquisa, ajudou a construir abordagens sofisticadas para transformar essas informações em valores quantitativos para taxas de retenção de portadores de carga.

p "Nosso grupo criou métodos poderosos para determinar quais processos causam perda de eficiência, "Turiansky disse, "e é gratificante ver a abordagem fornecer essas percepções valiosas para uma importante classe de materiais."

p "Os cálculos atuam como um microscópio teórico que nos permite examinar o material com uma resolução muito maior do que pode ser obtida experimentalmente, "Van de Walle explicou." Eles também formam a base para o design racional de materiais. Por tentativa e erro, verificou-se que as perovskitas nas quais a molécula de metilamônio é substituída por formamidínio exibem melhor desempenho. Agora podemos atribuir essa melhoria ao fato de que os defeitos de hidrogênio se formam menos prontamente no composto de formamidínio.

p "Este insight fornece uma base lógica clara para a sabedoria empiricamente estabelecida de que o formamidínio é essencial para a obtenção de células solares de alta eficiência, "acrescentou." Com base nessas percepções fundamentais, os cientistas que fabricam os materiais podem desenvolver estratégias para suprimir os defeitos prejudiciais, impulsionando melhorias adicionais de eficiência em células solares. "