Usando espectroscopia de laser em um experimento fotofísico, Os pesquisadores da Clemson University desbravaram novos caminhos que podem resultar em energia mais rápida e barata para alimentar a eletrônica.

Esta nova abordagem, usando perovskita processada por solução, pretende revolucionar uma variedade de objetos do cotidiano, como células solares, LEDs, fotodetectores para telefones inteligentes e chips de computador. Perovskita processada por solução são os materiais de próxima geração para painéis de células solares em telhados, Detectores de raios-X para diagnóstico médico, e LEDs para iluminação do dia a dia.

A equipe de pesquisa incluiu dois alunos de pós-graduação e um aluno de graduação que são orientados por Jianbo Gao, líder do grupo Ultrafast Photophysics of Quantum Devices (UPQD) no Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências.

A pesquisa colaborativa foi publicada em 12 de março na revista de alto impacto Nature Communications. O artigo é intitulado "Observação in-situ de portadores presos em filmes de perovskita de haleto de metal orgânico com resoluções temporais ultrarrápidas e energéticas ultrarrápidas".

O investigador principal foi Gao, que é professor assistente de física da matéria condensada. Os co-autores incluíram estudantes de graduação Kanishka Kobbekaduwa (primeiro autor) e Pan Adhikari do grupo UPQD, bem como o estudante de graduação Lawrence Coleman, um veterano no departamento de física.

Outros autores de Clemson foram Apparao Rao, o R.A. Bowen Professor de Física, e Exian Liu, um estudante visitante da China que trabalha com Gao.

"Os materiais perovskita são projetados para aplicações ópticas, como células solares e LEDs, "disse Kobbekaduwa, um estudante de graduação e primeiro autor do artigo de pesquisa. "É importante porque é muito mais fácil de sintetizar em comparação com as células solares baseadas em silício atuais. Isso pode ser feito por processamento de solução - enquanto no silício, você tem que ter métodos diferentes que são mais caros e demorados. "

O objetivo da pesquisa é fazer materiais mais eficientes, mais barato e mais fácil de produzir.

O método exclusivo usado pela equipe de Gao - empregando espectroscopia de fotocorrente ultrarrápida - permitiu uma resolução de tempo muito maior do que a maioria dos métodos, a fim de definir a física dos portadores presos. Aqui, o esforço é medido em picossegundos, que são um trilionésimo de segundo.

“Nós fabricamos dispositivos usando este material (perovskita) e usamos um laser para iluminar e excitar os elétrons dentro do material, "Kobbekaduwa disse." E então, usando um campo elétrico externo, nós geramos uma fotocorrente. Medindo essa fotocorrente, podemos realmente dizer às pessoas as características deste material. No nosso caso, definimos os estados presos, que são defeitos no material que afetarão a corrente que obtemos. "

Uma vez que a física esteja definida, os pesquisadores podem identificar os defeitos - o que acaba criando ineficiência nos materiais. Quando os defeitos são reduzidos ou passivados, isso pode resultar em maior eficiência, o que é crítico para células solares e outros dispositivos.

Como os materiais são criados por meio de processos de solução, como revestimento por rotação ou impressão a jato de tinta, a probabilidade de introdução de defeitos aumenta. Esses processos de baixa temperatura são mais baratos do que os métodos de ultra-alta temperatura que resultam em um material puro. Mas a compensação é mais defeitos no material. Encontrar um equilíbrio entre as duas técnicas pode significar dispositivos de maior qualidade e mais eficientes a custos mais baixos.

As amostras de substrato foram testadas atirando um laser no material para determinar como o sinal se propaga através dele. O uso de laser para iluminar as amostras e coletar a corrente possibilitou o trabalho e o diferenciou de outros experimentos que não empregam o uso de campo elétrico.

"Ao analisar essa corrente, somos capazes de ver como os elétrons se movem e como eles saem de um defeito, "disse Adhikari do grupo UPQD." É possível apenas porque nossa técnica envolve escala de tempo ultrarrápida e dispositivos in-situ sob um campo elétrico. Uma vez que o elétron cai no defeito, aqueles que experimentam usando outras técnicas não podem tirar isso. Mas podemos tirá-lo porque temos o campo elétrico. Os elétrons têm carga sob o campo elétrico, e eles podem se mover de um lugar para outro. Podemos analisar seu transporte de um ponto a outro dentro do material. ”

Esse transporte e o efeito dos defeitos do material sobre ele podem afetar o desempenho desses materiais e dos dispositivos nos quais são usados. É tudo parte das descobertas importantes que os alunos estão fazendo sob a orientação de seu mentor, criando ondulações que levarão ao próximo grande avanço.

"Os alunos não estão apenas aprendendo; eles estão realmente fazendo o trabalho, "Disse Gao." Tenho a sorte de ter alunos talentosos que - quando inspirados por desafios e ideias - se tornarão pesquisadores influentes. Tudo isso faz parte das descobertas importantes que os alunos estão fazendo sob a orientação de seus mentores, criando ondulações que levarão ao próximo grande avanço. Também somos muito gratos pela forte colaboração com Shreetu Shrestha e Wanyi Nie, que são os principais cientistas de materiais do Laboratório Nacional de Los Alamos. "