Os semicondutores convertem a energia dos fótons (luz) em uma corrente de elétrons. Contudo, alguns fótons carregam energia demais para o material absorver. Esses fótons produzem "elétrons quentes, "e o excesso de energia desses elétrons é convertido em calor. Os cientistas de materiais estão procurando maneiras de colher esse excesso de energia. Cientistas da Universidade de Groningen e da Universidade Tecnológica de Nanyang (Cingapura) mostraram que isso pode ser mais fácil do que o esperado por combinando uma perovskita com um material aceitador para elétrons quentes. Sua prova de princípio foi publicada em Avanços da Ciência em 15 de novembro.

Em células fotovoltaicas, semicondutores irão absorver a energia do fóton, mas apenas de fótons que têm a quantidade certa de energia:muito pouca, e os fótons passam direto pelo material; demais, e o excesso de energia é perdido na forma de calor. A quantidade certa é determinada pelo bandgap:a diferença nos níveis de energia entre o orbital molecular mais ocupado (HOMO) e o orbital molecular mais baixo não ocupado (LUMO).

Nanopartículas

"O excesso de energia dos elétrons quentes produzidos pelos fótons de alta energia é rapidamente absorvido pelo material na forma de calor, "explica Maxim Pshenichnikov, professor de espectroscopia ultrarrápida da Universidade de Groningen. Para capturar totalmente a energia dos elétrons quentes, materiais com um bandgap maior devem ser usados. Contudo, isso significa que os elétrons quentes devem ser transportados para este material antes de perder sua energia. A abordagem geral atual para coletar esses elétrons é diminuir a perda de energia, por exemplo, usando nanopartículas em vez de material a granel. "Nessas nanopartículas, existem menos opções para os elétrons liberarem o excesso de energia como calor, "explica Pshenichnikov.

Junto com colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang, onde foi professor visitante nos últimos três anos, Pshenichnikov estudou um sistema no qual um semicondutor de perovskita híbrido orgânico-inorgânico foi combinado com o composto orgânico batofenantrolina (bphen), um material com um grande bandgap. Os cientistas usaram luz laser para excitar elétrons na perovskita e estudaram o comportamento dos elétrons quentes gerados.

Barreira

"Usamos um método chamado teste de bombeamento para excitar elétrons em duas etapas e estudá-los em escalas de tempo de femtossegundos, "explica Pshenichnikov. Isso permitiu aos cientistas produzir elétrons nas perovskitas com níveis de energia logo acima do bandgap de bphen, sem excitar elétrons no bphen. Portanto, quaisquer elétrons quentes neste material teriam vindo da perovskita.

Os resultados mostraram que os elétrons quentes do semicondutor perovskita foram prontamente absorvidos pelo bphen. "Isso aconteceu sem a necessidade de desacelerar esses elétrons, e além do mais, em material a granel. Então, sem nenhum truque, os elétrons quentes foram coletados. "No entanto, os cientistas notaram que a energia necessária era ligeiramente maior do que o bandgap do bphen. "Isso foi inesperado. Aparentemente, alguma energia extra é necessária para superar uma barreira na interface entre os dois materiais. "

No entanto, o estudo fornece uma prova de princípio para a coleta de elétrons quentes em material semicondutor perovskita a granel. Pshenichnikov diz, "Os experimentos foram realizados com uma quantidade realista de energia, comparável à luz visível. O próximo desafio é construir um dispositivo real usando essa combinação de materiais. "