Os painéis solares, também conhecidos como fotovoltaicos, dependem de dispositivos semicondutores, ou células solares, para converter a energia do sol em eletricidade.
Para gerar eletricidade, as células solares precisam de um campo elétrico para separar as cargas positivas das negativas. Para obter esse campo, os fabricantes normalmente dopam a célula solar com produtos químicos para que uma camada do dispositivo tenha uma carga positiva e outra camada uma carga negativa. Esse design de várias camadas garante que os elétrons fluam do lado negativo de um dispositivo para o lado positivo - um fator chave na estabilidade e no desempenho do dispositivo. Mas a dopagem química e a síntese em camadas também adicionam etapas extras caras na fabricação de células solares.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab), em colaboração com a UC Berkeley, demonstrou uma solução única que oferece uma abordagem mais simples para a fabricação de células solares:um material solar cristalino com um campo elétrico — uma propriedade habilitada pelo que os cientistas chamam de "ferroeletricidade". O material foi relatado no início deste ano na revista Science Advances .

O novo material ferroelétrico - que é cultivado em laboratório a partir de tribrometo de césio e germânio (CsGeBr₃ ou CGB)—abre a porta para uma abordagem mais fácil para fazer dispositivos de células solares. Ao contrário dos materiais solares convencionais, os cristais CGB são inerentemente polarizados, onde um lado do cristal acumula cargas positivas e o outro lado acumula cargas negativas, sem necessidade de doping.

Além de ser ferroelétrico, o CGB também é uma "perovskita haleto" sem chumbo, uma classe emergente de materiais solares que intrigou os pesquisadores por sua acessibilidade e facilidade de síntese em comparação com o silício. Mas muitas das perovskitas haletos de melhor desempenho contêm naturalmente o elemento chumbo. De acordo com outros pesquisadores que publicam em Materials Today Energy em 2017, os restos de chumbo da produção e descarte de material solar de perovskita podem contaminar o meio ambiente e apresentar problemas de saúde pública. Por essas razões, os pesquisadores têm buscado novas formulações de haleto perovskita que evitam o chumbo sem comprometer o desempenho.

“Se você puder imaginar um material solar sem chumbo que não apenas colha energia do sol, mas também tenha o bônus adicional de ter um campo elétrico formado naturalmente e espontaneamente – as possibilidades nas indústrias de energia solar e eletrônica são bastante empolgantes”, disse. co-autor sênior Peidong Yang, um dos principais especialistas em nanomateriais conhecido por seu trabalho pioneiro em nanofios semicondutores unidimensionais para novas tecnologias de células solares e fotossíntese artificial. Ele é um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

O CGB também pode avançar uma nova geração de dispositivos de comutação, sensores e memórias superestáveis ​​que respondem à luz, disse o coautor sênior Ramamoorthy Ramesh, que detinha títulos de cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley na época do estudo e agora é vice-presidente de pesquisa da Rice University.

Os filmes solares de perovskita são normalmente feitos usando métodos de revestimento de solução de baixo custo, como revestimento por rotação ou impressão a jato de tinta. E, ao contrário do silício, que requer uma temperatura de processamento de cerca de 2.732 graus Fahrenheit para ser fabricado em um dispositivo solar, as perovskitas são facilmente processadas da solução à temperatura ambiente para cerca de 300 graus Fahrenheit – e para os fabricantes, essas temperaturas de processamento mais baixas reduziriam drasticamente os custos de energia.

Mas, apesar de seu potencial impulso para o setor de energia solar, os materiais solares de perovskita não estarão prontos para o mercado até que os pesquisadores superem os desafios de longa data na síntese e estabilidade do produto e na sustentabilidade do material.

Como identificar a perovskita ferroelétrica perfeita

As perovskitas cristalizam a partir de três elementos diferentes; e cada cristal de perovskita é delineado pela fórmula química ABX₃

A maioria dos materiais solares de perovskita não são ferroelétricos porque sua estrutura atômica cristalina é simétrica, como um floco de neve. Nas últimas duas décadas, pesquisadores de energia renovável como Ramesh e Yang têm buscado perovskitas exóticas com potencial ferroelétrico – especificamente, perovskitas assimétricas.

Alguns anos atrás, o primeiro autor Ye Zhang, que era um pesquisador de pós-graduação da UC Berkeley no laboratório de Yang na época, se perguntou como ela poderia fazer uma perovskita ferroelétrica sem chumbo. Ela teorizou que colocar um átomo de germânio no centro de uma perovskita distorceria sua cristalinidade apenas o suficiente para gerar ferroeletricidade. Além disso, uma perovskita à base de germânio liberaria o material de chumbo. (Zhang é agora pesquisador de pós-doutorado na Northwestern University.)

Mas, embora Zhang tivesse se aperfeiçoado no germânio, ainda havia incertezas. Afinal, evocar a melhor fórmula de perovskita ferroelétrica sem chumbo é como encontrar uma agulha no palheiro. Existem milhares de formulações possíveis.

So Yang, Zhang e equipe fizeram uma parceria com Sinéad Griffin, cientista da equipe da Divisão de Fundição Molecular e Ciências de Materiais do Berkeley Lab, especializada no design de novos materiais para uma variedade de aplicações, incluindo computação quântica e microeletrônica.

Com o apoio do Materials Project, Griffin usou supercomputadores do National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) para realizar cálculos teóricos avançados com base em um método conhecido como teoria funcional da densidade.

Por meio desses cálculos, que usam estrutura atômica e espécies químicas como entrada e podem prever propriedades como estrutura eletrônica e ferroeletricidade, Griffin e sua equipe se concentraram no CGB, a única perovskita totalmente inorgânica que marcou todas as caixas dos pesquisadores. lista de desejos de perovskita ferroelétrica:é assimétrica? Sim, sua estrutura atômica parece um romboedro, primo torto do retângulo. É realmente uma perovskita? Sim, sua fórmula química—CeGeBr₃ – corresponde à estrutura reveladora do perovskita do ABX₃ .

Os pesquisadores teorizaram que a colocação assimétrica do germânio no centro do cristal criaria um potencial que, como um campo elétrico, separa os elétrons positivos dos negativos para produzir eletricidade. Mas eles estavam certos?

Medindo o potencial ferroelétrico do CGB

Para descobrir, Zhang desenvolveu minúsculos nanofios (100 a 1.000 nanômetros de diâmetro) e nanoplacas (cerca de 200 a 600 nanômetros de espessura e 10 mícrons de largura) de CGB monocristalino com controle e precisão excepcionais.

"Meu laboratório vem tentando descobrir como substituir o chumbo por materiais menos tóxicos há muitos anos", disse Yang. "Você desenvolveu uma técnica incrível para cultivar perovskitas de haleto de germânio de cristal único - e é uma bela plataforma para estudar ferroeletricidade."

Experimentos de raios-X na Fonte de Luz Avançada revelaram a estrutura cristalina assimétrica do CGB, um sinal de ferroeletricidade. Experimentos de microscopia eletrônica liderados por Xiaoqing Pan na UC Irvine descobriram mais evidências da ferroeletricidade do CGB:uma estrutura atômica "deslocada" compensada pelo centro de germânio.

Enquanto isso, experimentos de medição elétrica realizados no laboratório Ramesh por Zhang e Eric Parsonnet, pesquisador de pós-graduação em física da UC Berkeley e coautor do estudo, revelaram uma polaridade comutável no CGB, satisfazendo mais um requisito para ferroeletricidade.

Mas um experimento final – medições de fotocondutividade no laboratório de Yang na UC Berkeley – produziu um resultado delicioso e uma surpresa. Os pesquisadores descobriram que a absorção de luz do CGB é ajustável – abrangendo o espectro de luz visível a ultravioleta (1,6 a 3 elétron-volts), uma faixa ideal para estimular a eficiência de conversão de alta energia em uma célula solar, disse Yang. Tal sintonização raramente é encontrada em ferroelétricos tradicionais, observou ele.

Yang diz que ainda há mais trabalho a ser feito antes que o material CGB possa estrear em um dispositivo solar comercial, mas ele está animado com os resultados até agora. "Este material perovskita ferroelétrico, que é essencialmente um sal, é surpreendentemente versátil", disse ele. "Estamos ansiosos para testar seu verdadeiro potencial em um dispositivo fotovoltaico real." + Explorar mais

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