Na última década, perovskitas - uma gama diversificada de materiais com uma estrutura cristalina específica - surgiram como alternativas promissoras para células solares de silício, porque são mais baratos e mais ecológicos de fabricar, ao mesmo tempo em que alcançam um nível comparável de eficiência.

Contudo, perovskitas ainda mostram perdas de desempenho significativas e instabilidades, particularmente nos materiais específicos que prometem a mais alta eficiência final. A maioria das pesquisas até agora tem se concentrado em maneiras de remover essas perdas, mas suas verdadeiras causas físicas permanecem desconhecidas.

Agora, em um artigo publicado hoje em Natureza , pesquisadores do grupo do Dr. Sam Stranks no Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia da Universidade de Cambridge e no Laboratório Cavendish, e a Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo do Professor Keshav Dani no OIST no Japão, identificar a origem do problema. Sua descoberta pode agilizar os esforços para aumentar a eficiência dos perovskitas, aproximando-os da produção para o mercado de massa.

Os materiais de perovskita são muito mais tolerantes a defeitos em sua estrutura do que as células solares de silício, e pesquisas anteriores realizadas pelo grupo de Stranks descobriram que, até certo ponto, alguma heterogeneidade em sua composição, na verdade, melhora seu desempenho como células solares e emissores de luz.

Contudo, a limitação atual dos materiais perovskita é a presença de uma "armadilha profunda" causada por um certo tipo de defeito, ou defeito menor, no material. Estas são áreas do material onde os portadores de carga energizados podem ficar presos e se recombinar, perdendo sua energia para o calor, em vez de convertê-lo em eletricidade ou luz útil. Este indesejável processo de recombinação pode ter um impacto significativo na eficiência e estabilidade de painéis solares e LEDs.

Até agora, muito pouco se sabia sobre a causa dessas armadilhas, em parte porque eles parecem se comportar de maneira bastante diferente das armadilhas em materiais de células solares tradicionais.

Em 2015, Dr. Stranks e colegas publicaram um artigo na Science analisando a luminescência de perovskitas, que revela como eles são bons em absorver ou emitir luz. "Descobrimos que o material era muito heterogêneo; havia regiões bastante grandes que eram brilhantes e luminescentes, e outras regiões que eram realmente escuras, "diz Stranks." Essas regiões escuras correspondem a perdas de energia em células solares ou LEDs. Mas o que estava causando a perda de energia sempre foi um mistério, especialmente porque as perovskitas são tão tolerantes a defeitos. "

Devido às limitações das técnicas de imagem padrão, o grupo não soube dizer se as áreas mais escuras foram causadas por um, grande local de armadilha, ou muitas armadilhas menores, tornando difícil estabelecer por que eles estavam se formando apenas em certas regiões.

Mais tarde, em 2017, O grupo do professor Keshav Dani no OIST publicou um artigo em Nature Nanotechnology , onde eles fizeram um filme de como os elétrons se comportam em semicondutores após absorver luz. "Você pode aprender muito sendo capaz de ver como as cargas se movem em um material ou dispositivo após brilhar a luz. Por exemplo, você pode ver onde eles podem estar presos, "diz Dani." No entanto, essas cargas são difíceis de visualizar, pois se movem muito rapidamente - na escala de tempo de um milionésimo de um bilionésimo de segundo; e em distâncias muito curtas - na escala de comprimento de um bilionésimo de um metro. "

Ao ouvir sobre o trabalho de Dani, O Dr. Stranks estendeu a mão para ver se eles poderiam trabalhar juntos para resolver o problema de visualização das regiões escuras nas perovskitas.

A equipe do OIST usou uma técnica chamada microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM) pela primeira vez em perovskitas, onde eles sondaram o material com luz ultravioleta e construíram uma imagem baseada em como os elétrons emitidos se espalharam.

Quando eles olharam para o material, eles descobriram que as regiões escuras continham armadilhas, cerca de 10-100 nanômetros de comprimento, que eram aglomerados de locais menores de armadilhas de tamanho atômico. Esses grupos de armadilhas foram espalhados de forma desigual por todo o material de perovskita, explicando a luminescência heterogênea vista na pesquisa anterior de Stranks.

Curiosamente, quando os pesquisadores sobrepuseram imagens dos locais da armadilha em imagens que mostravam os grãos de cristal do material perovskita, eles descobriram que os grupos de armadilhas se formaram apenas em locais específicos, nas fronteiras entre certos grãos.

Para entender por que isso ocorreu apenas em certos limites de grão, os grupos trabalharam junto com a equipe do professor Paul Midgley do Departamento de Ciência de Materiais e Metalurgia da Universidade de Cambridge, usando uma técnica chamada difração de elétrons de varredura para criar imagens detalhadas da estrutura cristalina da perovskita. A equipe do projeto fez uso da configuração de microscopia eletrônica na instalação ePSIC no Diamond Light Source Synchrotron, que possui equipamentos especializados para imagens de materiais sensíveis ao feixe, como perovskitas.

"Como esses materiais são muito sensíveis ao feixe, técnicas típicas que você usaria para sondar a estrutura cristalina local nessas escalas de comprimento mudarão muito rapidamente o material enquanto você olha para ele, o que pode tornar a interpretação dos dados muito difícil ", explica Tiarnan Doherty, um Ph.D. aluno do grupo de Stranks e co-autor principal do estudo. "Em vez de, fomos capazes de usar doses de exposição muito baixas e, portanto, evitar danos.

"Do trabalho na OIST, sabíamos onde os grupos de armadilhas estavam localizados, e na ePSIC, examinamos essas mesmas áreas para ver a estrutura local. Fomos então capazes de localizar rapidamente variações inesperadas na estrutura cristalina em torno dos grupos de armadilhas. "

O grupo descobriu que os aglomerados de armadilhas se formavam apenas nas junções onde uma área do material com estrutura levemente distorcida encontrava uma área com estrutura original.

“Em perovskitas, temos esses grãos de mosaico regulares de material e a maioria dos grãos são bonitos e imaculados - a estrutura que esperaríamos, "diz Stranks." Mas de vez em quando, você obtém um grão ligeiramente distorcido e a química desse grão não é homogênea. O que foi realmente interessante e que inicialmente nos confundiu, foi que não é o grão distorcido que é a armadilha, mas onde aquele grão encontra um grão puro; é nessa junção que as armadilhas se aglomeram. "

Com esta compreensão da natureza das armadilhas, a equipe do OIST também usou a instrumentação PEEM customizada para visualizar a dinâmica do processo de aprisionamento do portador de carga ocorrendo no material perovskita. "Isso foi possível porque um dos recursos exclusivos de nossa configuração PEEM é que ele pode gerar imagens de processos ultrarrápidos - tão curtos quanto femtossegundos, "explica Andrew Winchester, um Ph.D. estudante na Unidade do Prof. Dani, e co-autor principal deste estudo. "Descobrimos que o processo de captura foi dominado por portadores de carga que se difundem para os aglomerados de armadilhas."

Essas descobertas representam um grande avanço na busca para trazer os perovskitas para o mercado de energia solar.

"Ainda não sabemos exatamente por que as armadilhas estão se aglomerando lá, mas agora sabemos que eles se formam lá, e aparentemente apenas lá, "diz Stranks." Isso é emocionante porque significa que agora sabemos o que visar para trazer à tona o desempenho dos perovskitas. Precisamos direcionar essas fases não homogêneas ou nos livrar dessas junções de alguma forma. "

'O fato de que os portadores de carga devem primeiro se difundir para as armadilhas também pode sugerir outras estratégias para melhorar esses dispositivos, "diz Dani." Talvez pudéssemos alterar ou controlar a disposição dos grupos de armadilhas, sem necessariamente alterar seu número médio, de modo que as operadoras de cobrança têm menos probabilidade de chegar a esses locais com defeitos. "

A pesquisa das equipes se concentrou em uma estrutura particular de perovskita. Os cientistas agora estão investigando se a causa desses aglomerados de aprisionamento é universal em outros materiais de perovskita.

"A maior parte do progresso no desempenho do dispositivo foi por tentativa e erro e, até agora, este tem sido um processo bastante ineficiente, "diz Stranks." Até agora, realmente não foi impulsionado pelo conhecimento de uma causa específica e sistematicamente direcionado a ela. Este é um dos primeiros avanços que nos ajudarão a usar a ciência fundamental para projetar dispositivos mais eficientes. "