A pesquisa liderada por físicos da Universidade do Texas em Dallas alterou a compreensão das propriedades fundamentais dos cristais de perovskita, uma classe de materiais com grande potencial como células solares e emissores de luz.

Publicado em julho em Nature Communications , o estudo apresenta evidências que questionam os modelos existentes de comportamento das perovskitas no nível quântico.

"Nosso conhecimento aprimorado da física das perovskitas ajudará a determinar a melhor forma de usá-las, "disse o Dr. Anton Malko, professor associado de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática e autor correspondente do artigo.

O termo perovskita se refere amplamente a minerais com a mesma estrutura cristalina específica do composto que originalmente recebeu o nome de perovskita:titanato de cálcio.

"Em qualquer cristal puro, átomos são organizados de uma maneira muito ordenada, "disse a Dra. Riya Bose, associado de pesquisa de pós-doutorado em física que preparou as amostras para o estudo. "Milhares de materiais podem ser definidos como perovskitas por sua estrutura particular. Certos tipos deles são excelentes candidatos para células solares ou emissores de luz."

A pesquisa de perovskita é relativamente jovem, começando com estudos fotovoltaicos publicados cerca de uma década atrás. Por comparação, as células solares de silício foram refinadas por muitas décadas.

"Células solares de silício, como aqueles que você pode comprar agora, tornaram-se mais eficientes ao longo das décadas, aumentando dramaticamente após a década de 1960, "Disse Malko." A eficiência de hoje é de cerca de 20 por cento, "o que significa que um quinto da energia da luz incidente é convertido em eletricidade por células solares.

Como as perovskitas são um tópico de pesquisa mais recente, muito permanece desconhecido sobre por que eles se comportam dessa forma.

"O que é conhecido, Contudo, é que as perovskitas já superam a eficiência máxima alcançada com o silício, "Malko disse." Eles também são fáceis de fazer e são muito baratos em comparação com o silício. "

O que impede a perovskita é sua instabilidade; uma célula solar de perovskita precisaria ser substituída em questão de semanas.

"Uma célula solar que se degrada rapidamente sob a luz do sol é claramente inútil, "Malko disse." Uma célula de silício pode durar 20 anos. Com perovskite, a expectativa de vida é medida em centenas de horas. Mas mesmo isso representa um progresso desde as primeiras pesquisas. Agora, passamos a trabalhar com perovskitas inorgânicas, que deve estender essa vida. "

Muitos materiais com boas taxas de absorção de luz também são bons em reemitir essa luz. O trabalho de Malko se concentrou no comportamento de emissão de luz das perovskitas no nível das nanopartículas.

"O rendimento quântico para algumas partículas de perovskita é quase 100%, o que significa que eles são super brilhantes, "ele disse." Nós partimos para encontrar a fonte específica desta luminescência. "

Antes do estudo de Malko, o modelo difundido era o dos perovskitas, como em muitos outros semicondutores, a luz é emitida por excitons:estados vinculados de cargas negativas e positivas, respectivamente chamados de elétrons e buracos. Excitons podem se mover por grandes distâncias dentro do material.

De acordo com este modelo, conforme o tamanho do material encolhe, os excitons devem se tornar mais restritos em seus movimentos, um processo denominado confinamento quântico. Isso deve resultar em mudanças no comprimento de onda, ou cor, de luz absorvida ou emitida.

Usando espectroscopia de partícula única para observar nanopartículas de perovskita, os cientistas queriam aprender o que excitons individuais estavam fazendo. Ao testar a sabedoria convencional, eles refutaram.

"Observamos que a luz perovskita é notavelmente consistente, "Malko disse." Apesar de examinar uma ampla gama de tamanhos, de 9 a 30 nanômetros, o comprimento de onda de emissão - a cor da luz - permaneceu inalterado nas amostras de perovskita à base de césio, "disse ele." A luz emitida era de um verde específico, independentemente do tamanho do material observado. "

O que Malko, Bose e seus colegas descobriram - tanto nas perovskitas que possuem redes cristalinas tridimensionais internas quanto nas dimensões zero - que a emissão de luz no nível de uma única nanopartícula parecia mais com a luz do indivíduo, excitações moleculares fortemente localizadas em vez de elétrons móveis e lacunas. Indo mais longe, os pesquisadores determinaram que a fonte da luz emitida estava intimamente ligada aos locais de vacância do átomo de brometo dentro das perovskitas.

"Essas descobertas contradizem o modelo de confinamento quântico, o que ditaria que a fonte de luminescência nessas perovskitas é de excitons deslocalizados sobre nanopartículas, "Malko disse." Perovskitas de qualquer tamanho irão demonstrar esse comportamento. "

Adicionalmente, em um caso de confinamento quântico, a exposição a uma luz mais intensa criaria mais excitons com comportamento e propriedades emissivas diferentes. Nas nanopartículas de perovskita à base de césio, Contudo, a produção aumentada de fótons foi caracterizada por parâmetros de emissão semelhantes.

"Isso é dramaticamente diferente das visões anteriores da comunidade, "Malko disse." O preconceito prevalecente envolvendo confinamento quântico tem sido difícil de deslocar. "

Malko descreveu a pesquisa como um passo importante na compreensão das propriedades de emissão dos materiais perovskita. Ainda, uma série de questões precisam ser resolvidas antes de sua implementação prática - principalmente, o problema da longevidade.

"Se alguém encontrar uma maneira de fazer os perovskitas durarem vários anos, Eu prevejo que haverá dezenas de empresas que fabricam células solares de perovskita e dispositivos emissores de luz, " ele disse.