p Tem havido grande interesse nos últimos anos no uso de minúsculas partículas chamadas pontos quânticos para produzir baixo custo, facilmente fabricado, células fotovoltaicas estáveis. Mas, até aqui, a criação de tais células foi limitada pelo fato de que, na prática, os pontos quânticos não são tão bons na condução de uma carga elétrica como são na teoria. p Algo na estrutura física dessas células parece prender seus portadores de carga elétrica (conhecidos como elétrons e buracos), mas os pesquisadores têm sido pressionados a descobrir exatamente o quê. Agora, para o tipo mais amplamente usado de pontos quânticos, feito de compostos chamados calcogenetos metálicos, pesquisadores do MIT podem ter encontrado a chave:o fator limitante parece ser as proporções desordenadas dos dois componentes básicos que formam os pontos.

p As novas descobertas - por Jeffrey Grossman, o Professor Associado Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia, estudante de graduação em engenharia e ciências de materiais Donghun Kim, e dois outros pesquisadores - foram relatados este mês no jornal Cartas de revisão física .

p Em grandes quantidades de sulfeto de chumbo, o material usado para os pontos quânticos neste estudo, a proporção (conhecida pelos químicos como "estequiometria") de átomos de chumbo para átomos de enxofre é exatamente 1 para 1. Mas nas quantidades minúsculas do material usado para fazer pontos quânticos, que, nesse caso, eram cerca de 5 nanômetros, ou bilionésimos de um metro, transversalmente - essa proporção pode variar significativamente, um fator que não havia sido estudado em detalhes anteriormente. E, os pesquisadores descobriram, Acontece que essa proporção é a chave para determinar as propriedades elétricas do material.

p Quando a estequiometria é um perfeito 1 para 1, os pontos quânticos funcionam melhor, fornecendo o comportamento exato do semicondutor que a teoria prevê. Mas se a proporção estiver errada em qualquer direção - um pouco mais de chumbo ou um pouco mais de enxofre - o comportamento muda drasticamente, impedindo a capacidade da célula solar de conduzir cargas.

p Cuidando de laços pendentes

p Grossman explica que cada átomo dentro do material tem átomos vizinhos em todos os lados, então todas as ligações potenciais desse átomo são usadas, mas alguns átomos de superfície não têm vizinhos, para que suas ligações possam reagir com outros átomos no ambiente. Esses laços perdidos, às vezes chamados de "títulos pendentes, "foram pensados ​​para desempenhar um papel crítico nas propriedades eletrônicas de um ponto quântico.

p Como resultado, o consenso na área é que os melhores dispositivos terão o que é conhecido como "passivação total":a adição de moléculas extras que se ligam a quaisquer ligações atômicas soltas na superfície do material. A ideia era que adicionar mais material passivador (chamados ligantes) sempre melhoraria o desempenho, mas isso não funcionou como os cientistas esperavam:às vezes, melhorou o desempenho, mas às vezes piorava.

p "Essa era a visão tradicional que as pessoas acreditavam, "diz Kim, quem foi o autor principal do artigo. Mas agora descobriu-se que "quantas ligações pendentes o ponto quântico possui nem sempre é importante, pois isso realmente não afeta a densidade dos estados de armadilha - pelo menos em pontos à base de chumbo e enxofre. "Então, se um determinado ponto já tiver uma proporção exata de 1 para 1, adicionar ligantes torna tudo pior, Kim diz.

p A nova pesquisa resolve o mistério de por que isso é:simulações de computador revelam que há uma quantidade ideal de material passivante, uma quantidade que neutraliza exatamente o suficiente dessas ligações soltas para contrabalançar qualquer discrepância na estequiometria, restaurando um equilíbrio efetivo de 1 para 1. Muito ou pouco material passivador, e o desequilíbrio permanece, ou mesmo aumenta, reduzindo a eficiência do material.

p Grande potencial para células solares

p Tem havido "muito entusiasmo" sobre o potencial de pontos quânticos em aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos, iluminação e células solares, Grossman diz. Entre outras vantagens potenciais, células solares de pontos quânticos podem ser feitas em um processo de baixa temperatura, depositando material de uma solução à temperatura ambiente, ao invés da alta temperatura, processos de uso intensivo de energia usados ​​para fotovoltaicos convencionais. Além disso, tais dispositivos poderiam ser precisamente "ajustados, "para obter a conversão máxima de comprimentos de onda específicos (cores) de luz em energia, ajustando o tamanho e a forma das partículas.

p Para ir além das eficiências alcançadas até agora com células solares de pontos quânticos, Grossman diz, os pesquisadores precisavam entender por que as cargas ficaram presas no material. "Encontramos algo muito diferente do que as pessoas pensavam que estava causando o problema, " ele diz.

p "Esperamos que isso inspire os experimentadores a olhar para isso de novas maneiras, " ele adiciona.

p Descobrir como aplicar esse conhecimento, e como produzir pontos quânticos com razões elementares bem controladas, será "desafiador, "Grossman diz, "mas existem várias maneiras de controlar a superfície."

p A descoberta foi uma agradável surpresa, Kim diz, observando que os pesquisadores observaram inesperadamente a origem dos estados de armadilha enquanto estudavam a maneira como os tratamentos de superfície afetariam o material. Mas agora que encontraram este fator-chave, ele diz, eles sabem qual é seu objetivo em pesquisas futuras:"Os elétrons ficarão felizes quando a distribuição ... estiver correta, " ele diz.

p Giulia Galli, um professor de física e química da Universidade da Califórnia em Davis que não estava ligado a esta pesquisa, diz que é "um trabalho bastante criativo e importante, "e acrescenta isso, "Tenho certeza de que isso vai estimular novos experimentos" para projetar a estequiometria de pontos quânticos a fim de controlar suas propriedades.

p O artigo é intitulado "Impacto da estequiometria na estrutura eletrônica de pontos quânticos de PbS". p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.