As células solares de perovskita têm sido objeto de muitas pesquisas como a próxima geração de dispositivos fotovoltaicos. No entanto, muitos desafios ainda precisam ser superados para a aplicação prática. Uma delas diz respeito à camada de transporte de buracos (semicondutor tipo p) em células fotovoltaicas que transporta buracos gerados pela luz até o eletrodo.
Nos semicondutores convencionais de transporte orgânico do tipo p, os dopantes são quimicamente reativos e degradam o dispositivo fotovoltaico. Os semicondutores inorgânicos do tipo p, que são quimicamente estáveis, são alternativas promissoras, mas a fabricação de semicondutores inorgânicos convencionais do tipo p requer tratamento em alta temperatura. A este respeito, os semicondutores inorgânicos do tipo p que podem ser fabricados a baixas temperaturas e têm excelente capacidade de transporte de furos têm sido desejados.

O semicondutor inorgânico de iodeto de cobre (CuI) é um candidato líder para tais materiais de transporte de furos em aplicações de dispositivos fotovoltaicos. Neste material, defeitos nativos dão origem a desequilíbrio de carga e portadores de carga livres. No entanto, o número total de defeitos é geralmente muito baixo para um desempenho satisfatório do dispositivo.

A adição de impurezas com propriedades de aceptor (carregado positivamente) ou doador (carregado negativamente), conhecido como "dopagem de impurezas", é o método padrão ouro para reforçar as propriedades de transporte de semicondutores e o desempenho do dispositivo. Nos métodos convencionais, íons com valência menor do que os átomos constituintes têm sido usados ​​como impurezas. No entanto, em semicondutores à base de Cu(I), não há íon com valência menor que a dos íons de cobre monovalentes (valência zero), e assim uma dopagem do tipo p em compostos de cobre não foi estabelecida.

Para propor um novo projeto de dopagem de portadores para dopagem do tipo p em CuI, pesquisadores do Japão e dos EUA recentemente se concentraram no efeito de impureza alcalina, que tem sido empiricamente usado para dopagem de buracos em semicondutores monovalentes de cobre, óxido de cobre (Cu₂ O) e Cu(In,Ga)Se₂ .

Em uma nova abordagem descrita em um estudo publicado no Journal of the American Chemical Society , a equipe, liderada pelo Dr. Kosuke Matsuzaki do Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japão, demonstrou experimentalmente que a dopagem do tipo p com impurezas de íons alcalinos, que tem a mesma valência do cobre, mas tamanho maior, pode melhorar a condutividade em Cu semicondutores baseados em (I). As análises teóricas mostram que os defeitos complexos, que são compostos de impurezas de íons alcalinos e vacâncias de íons de cobre, são uma origem da geração de buracos (condutividade tipo p).

Embora as impurezas de metais alcalinos sejam conhecidas por aumentar a concentração de transportadores no óxido de cobre, o mecanismo subjacente permaneceu um mistério para os cientistas, até agora. Este mecanismo já foi elucidado, como explica o Dr. Matsuzaki, "Usando uma combinação de estudos experimentais e análise teórica, conseguimos descobrir o efeito das impurezas alcalinas em semicondutores baseados em Cu(I). A impureza de metal alcalino Na interage com íons Cu vizinhos em Cu₂ O para formar complexos de defeitos. Os complexos, por sua vez, levam a ser uma fonte de buracos."

À medida que uma impureza é adicionada à estrutura cristalina, a repulsão eletrostática de Coulomb entre a impureza e os íons de Cu vizinhos empurra os átomos de Cu de suas posições na estrutura e leva à formação de múltiplas vacâncias de cobre do tipo aceptor. Isso, por sua vez, aumenta a concentração total de portadores do tipo p e, consequentemente, a condutividade do tipo p. "Nossas simulações mostram que é fundamental que a impureza seja um pouco maior para espaços vagos na rede cristalina para invocar a repulsão eletrostática. Para impurezas alcalinas menores, por exemplo lítio, os íons de impureza caem nos locais intersticiais e não deformam suficientemente o cristal treliça", elabora o Dr. Matsuzaki.

Com base no mecanismo de dopagem do tipo p para formar complexo de defeito de vacância de Cu do tipo aceptor, a equipe investigou íons alcalinos maiores, como potássio, rubídio e césio (Cs), como impurezas aceptoras em γ-CuI. Entre eles, os íons Cs podem ligar ainda mais vacâncias de Cu, levando a uma concentração ainda maior de portadores de carga estáveis ​​(10 ¹³ —10 ¹⁹ cm ^-3 ) tanto em monocristais quanto em filmes finos preparados a partir da solução.

"Isso sugere que o método pode ser usado para ajustar as concentrações de portadores sob processamento de baixa temperatura para aplicações e dispositivos específicos. Isso permitiria toda uma nova gama de aplicações para esses materiais do tipo p", conclui Matsuzaki.

De fato, o desenvolvimento pode ser um grande avanço para semicondutores baseados em cobre(I) e em breve poderá levar a suas aplicações práticas em células solares e dispositivos optoeletrônicos. + Explorar mais

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