As células solares são vitais para a transição para a energia verde. Eles podem ser usados ​​não apenas em telhados e fazendas solares, mas também para alimentar veículos autônomos, como aviões e satélites. No entanto, as células solares fotovoltaicas são atualmente pesadas e volumosas, dificultando o transporte para locais remotos fora da rede, onde são muito necessárias.
Em uma colaboração liderada pelo Imperial College London, ao lado de pesquisadores de Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin na Alemanha e outros, os pesquisadores produziram materiais que podem absorver níveis comparáveis ​​de luz solar como células solares convencionais de silício, mas com 10.000 vezes menos espessura.

O material é sulfeto de sódio e bismuto (NaBiS₂ ), que é cultivado como nanocristais e depositado a partir da solução para fazer filmes de 30 nanômetros de espessura. NaBiS₂ é composto por elementos não tóxicos que são suficientemente abundantes na crosta terrestre para uso comercial. Por exemplo, compostos à base de bismuto são usados ​​como substitutos de chumbo não tóxico em soldas ou em medicamentos de venda livre para o estômago.

Yi-Teng Huang, Ph.D. estudante da Universidade de Cambridge e co-primeiro autor, comentou que "encontraram um material que absorve a luz mais fortemente do que as tecnologias convencionais de células solares e pode ser impresso a partir de uma tinta. Esta tecnologia tem potencial para fazer células solares leves que podem ser facilmente transportado ou usado em aplicações aeroespaciais."

Benefícios da desordem e sódio

Fatores críticos para a forte absorção de luz são os efeitos da desordem e o papel do sódio.

Os íons sódio e bismuto em NaBiS₂ possuem tamanhos semelhantes, ou seja, ao invés de ocuparem diferentes sítios cristalográficos (ordenados), ocupam o mesmo sítio (desordenados). Como resultado, a estrutura cristalina muda para sal-gema, que se assemelha ao sal de mesa. No entanto, o sódio e o bismuto não são distribuídos uniformemente no material, e essa (in)homogeneidade de desordem entre esses íons tem um efeito significativo na força de absorção.

Efeitos semelhantes foram encontrados em trabalhos recentes sobre AgBiS₂ , mas NaBiS₂ tem um início mais forte e mais nítido na absorção de luz. Isso ocorre porque o sódio, ao contrário da prata, não contribui para os estados eletrônicos em torno do bandgap do semicondutor. Como resultado, há uma maior concentração de estados eletrônicos disponíveis para absorção de luz.

Seán Kavanagh, co-primeiro autor e Ph.D. estudante nos grupos de pesquisa do Prof Aron Walsh no Departamento de Materiais da Imperial, e Prof David Scanlon na UCL, comentou que "desordem tem sido vista como o inimigo das células solares. Conhecido por matar a eficiência em materiais solares convencionais como o silício ( Si), telureto de cádmio (CdTe) e arsenieto de gálio (GaAs), os pesquisadores normalmente se concentram em evitá-lo a todo custo.

"Em vez disso, se pudermos entender e controlar esse distúrbio, ele pode apresentar uma ferramenta poderosa para ajustar as propriedades do material e obter um desempenho recorde em uma ampla gama de aplicações, não apenas células solares, mas também LEDs e termoelétricas, por exemplo. perspectiva de pesquisa de materiais."

Ampliar em um trilionésimo de segundo

Os pesquisadores também descobriram que a desordem tem um efeito significativo e incomum no transporte de cargas fotogeradas no material. Isso foi estudado usando técnicas espectroscópicas que sondam processos que ocorrem até um trilionésimo de segundo (picossegundo), bem como modelagem computacional.

Esses estudos descobriram que uma distribuição não homogênea de íons sódio e bismuto resulta na formação de estados eletrônicos localizados, que rapidamente capturam cargas. Essas cargas vivem nesses estados por dezenas de microssegundos, o que é pelo menos 100 vezes mais do que em outros novos semicondutores. No entanto, as cargas ficam presas nesses estados e só podem se mover pulando entre os estados, o que acaba limitando sua capacidade de se mover e ser extraída como eletricidade.

Excepcionalmente, os pesquisadores também descobriram que os defeitos atômicos desempenham um papel insignificante no NaBiS₂ , porque o transporte de cargas é dominado pelos efeitos desses estados localizados. Esses resultados, portanto, demonstram a importância de controlar o grau de desordem e entender a influência sobre os estados eletrônicos em materiais.

Os pesquisadores também encontraram NaBiS₂ para ser estável no ar durante toda a duração de seu teste de 11 meses sem qualquer encapsulamento necessário, o que contrasta fortemente com outros novos materiais fotovoltaicos, como perovskitas de haleto de chumbo. Isso sugere a durabilidade a longo prazo do material em dispositivos, que é um requisito fundamental para células solares comerciais.

Muitas novas oportunidades

Os pesquisadores prevêem que essas descobertas despertarão maior interesse no NaBiS₂ e materiais semelhantes, especialmente na compreensão do papel da desordem catiônica e as interações entre as cargas e a rede cristalina.

Dr. Robert Hoye, Professor Sênior no Departamento de Materiais do Imperial College London e autor correspondente do artigo, comentou que "estes são resultados muito empolgantes que abrem novos caminhos para otimizar as propriedades dos coletores de energia solar. NaBiS₂ pertence a uma família intrigante de materiais, e esperamos que os novos insights gerados em nosso trabalho guiem a descoberta e a seleção de uma nova geração de compostos fotoativos eficientes e econômicos." + Explore mais

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