Materiais cristalinos conhecidos como perovskitas podem se tornar as próximas superestrelas das células solares. Ao longo dos últimos anos, pesquisadores demonstraram que uma classe especial de perovskitas - aquelas que consistem em um híbrido de componentes orgânicos e inorgânicos - convertem a luz solar em eletricidade com uma eficiência acima de 20 por cento e são mais fáceis de fabricar e mais impermeáveis ​​a defeitos do que a célula solar padrão feita de silício cristalino . Como fabricado hoje, Contudo, essas perovskitas orgânicas / inorgânicas (OIPs) se deterioram bem antes da vida útil típica de 30 anos para células de silício, o que impede seu uso generalizado no aproveitamento de energia solar.

Agora, uma equipe liderada por Andrea Centrone no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e Jinsong Huang e Alexei Gruverman da Universidade de Nebraska encontrou a primeira evidência sólida de uma propriedade de OIPs que pode fornecer uma nova maneira de melhorar sua longevidade -estabilidade de termo como células solares.

A característica inesperada que a equipe encontrou é conhecida como ferroelasticidade - um rearranjo espontâneo da estrutura interna dos OIPs em que cada cristal se subdivide em uma série de pequenas regiões, ou domínios, que têm o mesmo arranjo atômico, mas que são orientados em direções diferentes. Esse rearranjo cria uma tensão espontânea em cada domínio que existe mesmo na ausência de qualquer tensão externa (força).

“O papel dos domínios ferroelásticos na estabilidade do material deve ser compreendido, "disse Centrone.

Em altas temperaturas, Os cristais OIP não se subdividem e têm o mesmo arranjo cúbico de átomos. Em temperatura ambiente, Contudo, a estrutura cristalina do OIP muda de cúbica para tetragonal, em que um eixo do cubo se alonga. É aí que a propriedade ferroelástica do material entra em ação.

"Para transformar de um arranjo cúbico em tetragonal, um eixo do cubo deve se alongar. No processo, cada cristal se subdivide em domínios menores nos quais o eixo alongado pode apontar em uma direção diferente, levando à tensão interna espontânea, "explicou o membro da equipe Evgheni Strelcov do NIST e da Universidade de Maryland.

Atualmente, permanece desconhecido se a ferroelasticidade é uma propriedade que melhora ou dificulta o desempenho e a estabilidade das células solares de perovskita, observou Centrone. Mas o próprio fato de os OIPs terem essa estrutura interna, dividindo cristais únicos em domínios, é importante investigar, ele adicionou. Os limites entre os cristais - os chamados limites intergrãos - são conhecidos como pontos fracos, onde se concentram defeitos estruturais. De forma similar, os limites entre os domínios ferroelásticos recém-descobertos dentro de um único cristal - limites intra-grão - também podem afetar a estabilidade dos OIPs e seu desempenho como células solares.

Os pesquisadores descobriram que dobrando os cristais, eles podiam se mover com segurança, crie ou elimine os limites de grão ferroelástico - os limites entre regiões de cristal subdivididas com orientações diferentes - ampliando ou reduzindo assim o tamanho de cada domínio. A dobra também mudou a fração relativa de domínios que apontam em diferentes orientações. Os pesquisadores recentemente descreveram seu trabalho na Science Advances.

Em seu estudo, a equipe não encontrou evidências de que os OIPs eram ferroelétricos; em outras palavras, que eles formaram domínios onde a separação do centro de cargas elétricas positivas e negativas está alinhada em direções diferentes na ausência de um campo elétrico externo. Esta descoberta é significativa, porque alguns pesquisadores especularam que a ferroeletricidade pode ser a propriedade subjacente que torna os OIPs candidatos promissores para células solares.

Os pesquisadores criaram cristais únicos inteiros grandes o suficiente para revelar domínios ferroelásticos, que apareceu como estriações com um microscópio óptico. Eles também estudaram OIPs que consistem em filmes finos policristalinos, que foram examinados usando técnicas em nanoescala.

Os pesquisadores usaram dois métodos em nanoescala que empregam sondas de microscópio de força atômica (AFM) para medir a ferroelasticidade em filmes finos OIP. Na Universidade de Nebraska, Gruverman e seus colaboradores usaram microscopia de força piezoresponse (PFM), que mapeou a resposta mecânica eletricamente induzida de uma amostra OIP em repouso e sob estresse mecânico, dobrando suavemente a amostra.

No outro método, pulsos de laser que vão do visível ao infravermelho atingiram uma película fina de perovskita, fazendo com que o material se aqueça e se expanda. A pequena expansão foi capturada e amplificada pela sonda AFM usando ressonância induzida fototérmica (PTIR), uma técnica que combina a resolução de um AFM com as informações composicionais precisas fornecidas pela espectroscopia de infravermelho. A imagem PTIR revelou a presença de estriações microscópicas que persistiram mesmo quando as amostras foram submetidas a aquecimento ou voltagem aplicada. Experimentos mostraram que as estrias não estavam correlacionadas com a composição química local ou propriedades ópticas, mas foram devido a diferenças no coeficiente de expansão térmica dos domínios ferroelásticos.