p O sol fornece mais energia para a Terra em uma hora do que a humanidade consome em um ano inteiro. Cientistas de todo o mundo estão procurando materiais que possam capturar essa energia livre de carbono de maneira econômica e eficiente e convertê-la em eletricidade. p Perovskitas, uma classe de materiais com uma estrutura cristalina única, poderia ultrapassar a tecnologia atual para a colheita de energia solar. Eles são mais baratos do que os materiais usados ​​nas células solares atuais, e eles demonstraram propriedades fotovoltaicas notáveis ​​- comportamento que lhes permite converter a luz solar em eletricidade de maneira muito eficiente.

p Revelar a natureza das perovskitas em escala atômica é fundamental para compreender suas promissoras capacidades. Esta visão pode ajudar a informar os modelos para determinar a composição ideal de materiais perovskita para células solares, que pode ser usado para alimentar veículos, aparelhos eletrônicos e até aquecimento doméstico e outros eletrodomésticos.

p Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) participaram de uma colaboração liderada pela Duke University, juntamente com o Oak Ridge National Laboratory do DOE e outros colaboradores, para estudar o funcionamento interno de um material de perovskita usando os recursos de espalhamento de raios-X de classe mundial em Argonne e os recursos de espalhamento de nêutrons em Oak Ridge. As capacidades de espalhamento permitiram aos cientistas observar o comportamento do material em escala atômica, e o estudo revelou que o movimento em forma de líquido em perovskitas pode explicar como eles produzem correntes elétricas com eficiência.

p "Há muita empolgação em torno desses materiais, mas não entendemos completamente por que eles são fotovoltaicos tão bons, "disse Olivier Delaire da Duke University, cientista-chefe do estudo.

p Quando a luz atinge um material fotovoltaico, excita elétrons, levando-os a sair de seus átomos e viajar pelo material, condução de eletricidade. Um problema comum é que os elétrons excitados podem se recombinar com os átomos em vez de viajar pelo material, o que pode diminuir significativamente a eletricidade produzida em relação à quantidade de luz solar que atinge o material.

p "As perovskitas funcionam bem na prevenção da recombinação, "disse Ray Osborn de Argonne." Queremos saber qual mecanismo causa isso e se podemos aprender com isso para criar células solares melhores. "

p A equipe estudou uma das perovskitas mais simples - um composto de césio, chumbo e bromo (CsPbBr ₃ ) - para descobrir o que está acontecendo na escala atômica.

p Usando os recursos de espalhamento de raios-X na linha de luz do grupo de Materiais Magnéticos de Argonne (6-ID-D) na Fonte Avançada de Fótons do laboratório, um DOE Office of Science User Facility, a equipe capturou as posições médias dos átomos em um cristal de perovskita em diferentes temperaturas. Eles descobriram que cada átomo de chumbo e sua gaiola de átomos de bromo formam unidades rígidas que se comportam como moléculas. Essas unidades oscilam - ou balançam para frente e para trás - como um líquido.

p "As moléculas neste material giram em torno das outras moléculas como se estivessem articuladas, e ao redor das dobradiças, as moléculas agem como um tipo de disquete, "disse Delaire.

p Uma teoria para explicar como os perovskitas resistem à recombinação é que essas distorções na rede, ou estrutura cristalina, siga os elétrons livres conforme eles atravessam o material. Os elétrons podem deformar a rede, causando os distúrbios do tipo líquido, que então os impede de cair de volta em seus átomos hospedeiros. Esta teoria, que é reforçado pelos novos resultados experimentais, pode fornecer novos insights sobre como projetar materiais de perovskita ideais para células solares.

p Os dados também indicam que as moléculas do material oscilam dentro de planos bidimensionais, sem movimento entre os aviões, semelhante a um passeio de carnaval que só oscila da esquerda para a direita, mas nunca da frente para trás. A natureza bidimensional das distorções do cristal pode ser mais uma peça do quebra-cabeça para explicar como a perovskita pode impedir a recombinação de elétrons, contribuindo para a eficiência do material.

p De acordo com Osborn, os padrões bidimensionais nos dados de espalhamento de raios-X nunca foram vistos. "Com base nessas medições inesperadas, queríamos ir ainda mais fundo, não olhando apenas para as posições atômicas médias, mas como os átomos se movem em tempo real, " ele disse.

p Para investigar o movimento dos átomos diretamente, a equipe usou recursos de espalhamento de nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Oak Ridge National Laboratory. Os pesquisadores da divisão de Ciência de Materiais de Argonne e da Northwestern University aumentaram muito, cristais em escala centimétrica necessários para as medições de nêutrons.

p O espalhamento de nêutrons confirmou o padrão imprevisto visto no experimento de espalhamento de raios-X, mas mostrou, além do que, além do mais, que quase nenhuma energia é necessária para as moléculas oscilarem em duas dimensões. Isso ajuda a explicar por que os elétrons excitados podem deformar a rede com tanta facilidade.

p "Este trabalho é um belo exemplo da complementaridade de nêutrons e raios-X ao revelar a estrutura e a dinâmica de materiais complexos, "disse Osborn, que estava envolvido em ambos os conjuntos de medições.

p O estudo representa um passo para tirar o máximo proveito da energia renovável do sol amplamente inexplorada, que podem ter um impacto significativo no meio ambiente e na economia.