As perovskitas híbridas de haletos orgânicos ou inorgânicos são uma classe única de materiais de células solares que quebram algumas das regras de design de materiais que estão em vigor há mais de 30 anos. Por exemplo, eles podem alcançar um desempenho extraordinariamente alto, apesar de ser rico em defeitos e desordenado em escala macroscópica.

Essa qualidade desordenada contrasta fortemente com os semicondutores inorgânicos mais tradicionais, usados ​​atualmente para fabricar produtos eletrônicos. Além disso, sua morfologia torna muito mais difícil quantificar parâmetros de transporte espacial que são essenciais para otimizar as estruturas dos dispositivos.

O desempenho dos dispositivos semicondutores é fundamentalmente governado pela dinâmica do portador de carga dentro dos materiais. Embora muitos pesquisadores tenham tentado obter uma melhor compreensão dessa dinâmica, muitas perguntas permanecem sem resposta.

Por exemplo, o transporte balístico de portadores de carga (por exemplo, elétrons) por meio desses materiais, também conhecido como propagação balística, foi pensado até agora que não desempenha nenhum papel relevante em permitir o funcionamento de fotovoltaicos (PVs) e diodos emissores de luz. Isso ocorre porque essa propagação é rapidamente interrompida depois que as portadoras são geradas, por meio de um processo conhecido como espalhamento.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Cambridge e da Universidade de Oxford realizou recentemente um estudo com o objetivo de descobrir mais sobre a dinâmica do portador de carga em materiais perovskita. Seu estudo, publicado em Física da Natureza , investigou especificamente a dinâmica espaço-temporal de portadores imediatamente após os fótons serem absorvidos por filmes de perovskita de metilamônio e iodeto de chumbo.

"Interessantemente, materiais híbridos de perovskita de haleto orgânico-inorgânico também exibem uma dinâmica ultrarrápida rica na escala de tempo sub-200 fs, que permaneceu praticamente inexplorado até agora, "os pesquisadores disseram ao Phys.org, via email. "Portanto, buscamos uma sonda direta para visualizar o comportamento de transporte de portadores de carga fotoinduzida nesses materiais na escala de tempo de femtossegundo, juntamente com a precisão espacial nanométrica."

Para investigar a dinâmica espaço-temporal de portadores em filmes de perovskita de iodeto de chumbo de metilamônio, os pesquisadores usaram um microscópio óptico resolvido no tempo com resolução temporal extrema e precisão espacial nanométrica. Eles usaram um feixe de bomba altamente confinado espacialmente na ordem de 200 nm para excitar o material, o que resultou na geração de elétrons excitados apenas dentro de uma pequena área de sua amostra.

"Ao fornecer um feixe de sonda vagamente focado no material e variando o atraso de tempo em relação ao feixe da bomba, a dinâmica espacial da distribuição de elétrons fotogerados pode ser registrada, "explicaram os pesquisadores." Uma vez que estamos comparando as mudanças na distribuição ao longo do tempo, a precisão espacial não é limitada pelo limite de difração óptica, mas pela precisão da medição. "

A precisão espacial alcançada por seu microscópio óptico permitiu aos pesquisadores distinguir a dinâmica em escalas de comprimento tão pequenas quanto dez nanômetros dentro do material. Usando esta técnica de microscopia óptica resolvida com o tempo, os pesquisadores puderam visualizar diretamente o movimento dos elétrons, mesmo dentro de algumas dezenas de femtossegundos.

Seu estudo reuniu os primeiros dados de imagem que mostram claramente o funcionamento dos materiais de perovskita diretamente após a absorção de fótons. Eles descobriram que imediatamente após os fótons serem absorvidos, os elétrons nesses materiais se movem com extrema rapidez por uma distância sem precedentes.

“Depois de gravar o filme de elétrons fotoexcitados, quantificamos a largura da distribuição de elétrons em cada instantâneo e registramos o deslocamento médio ao quadrado, "disseram os pesquisadores." Esta análise fornece a mobilidade dos elétrons.

Os pesquisadores observaram que os elétrons se moviam a uma velocidade de 5 × 10 ⁶ em ^-1 acima de 150 nm, que é quase 1 por cento da velocidade da luz em 150 nm. Esta enorme velocidade implica que os elétrons das perovskitas de haleto se movem em forma de onda, conforme descrito pelas teorias da mecânica quântica que prevêem a dualidade onda-partícula.

"Este é um resultado muito surpreendente, como há muito se supõe que o comportamento da mecânica quântica dos elétrons se decompõe muito rapidamente nas células solares e dá lugar ao comportamento "clássico", "disseram os pesquisadores.

As observações podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias, já que, em última análise, exigem uma reavaliação das teorias atuais sobre como as células solares funcionam, tanto aqueles feitos de perovskitas quanto aqueles fabricados com outros semicondutores inorgânicos. Na verdade, ao contrário da maioria dos estudos anteriores, essas descobertas sugerem que o comportamento quântico está presente na maioria das células solares em operação.

"Agora que descobrimos este regime de transporte sem precedentes, vamos começar a olhar para outros materiais para ver se existe uma regra de design universal que dita a aparência do transporte balístico, "disseram os pesquisadores." Se pudermos estabelecer tal conexão universal, pode muito bem ser transformador na maneira como pensamos sobre o design de células solares no futuro. "

© 2019 Science X Network