As perovskitas de haleto de chumbo, mesmo cheias de impurezas e falhas estruturais, são extremamente eficientes na conversão da luz solar em eletricidade. O seu desempenho aproxima-se agora do das células solares à base de silício que há muito dominam a indústria. Num estudo recente publicado em Comunicações da naturezainvestigadores do Instituto Austríaco de Ciência e Tecnologia (ISTA) fornecem uma explicação detalhada para esta eficiência inesperada, resolvendo um mistério que intriga os cientistas há anos.
A questão óbvia é: como pode um material relativamente simples e barato competir com a tecnologia de silício altamente avançada desenvolvida ao longo de décadas? Nos últimos 15 anos, as perovskitas de haleto de chumbo surgiram como candidatas promissoras para células solares de próxima geração. Ao contrário do silício, que requer wafers monocristalinos ultrapuros, esses materiais podem ser produzidos usando métodos baseados em soluções de baixo custo, ao mesmo tempo que fornecem desempenho comparável.
Os investigadores Dmitrii Rak e Zhanibek Alpichshov do ISTA identificaram o mecanismo básico subjacente a estas propriedades incomuns. Suas descobertas revelam um contraste impressionante com a tecnologia solar tradicional. O silício depende de uma pureza quase perfeita para funcionar de forma eficaz, mas as perovskitas se beneficiam de suas imperfeições. Segundo a equipe, a rede natural de defeitos estruturais permite que cargas elétricas percorram longas distâncias no material, o que é essencial para uma conversão eficiente de energia. “Nosso trabalho fornece a primeira explicação física para esses materiais, contabilizando a maioria – senão todas – de suas propriedades documentadas”, diz Rak. Essa compreensão poderia ajudar a aproximar as células solares de perovskita do uso generalizado no mundo real.
De materiais invisíveis a inovações solares
O termo perovskita de haleto de chumbo refere-se a um grupo de compostos descobertos pela primeira vez na década de 1970. Eles foram nomeados por sua semelhança estrutural com as perovskitas, uma classe mais ampla de materiais óxidos amplamente estudada na ciência dos materiais. Além de sua capacidade de formar cristais híbridos orgânicos-inorgânicos estáveis, eles inicialmente atraíram pouca atenção e foram amplamente arquivados após caracterizações importantes.
Tudo isso mudou no início da década de 2010, quando os investigadores descobriram a sua impressionante capacidade de converter luz em eletricidade. Desde então, as perovskitas também se mostraram promissoras em diodos emissores de luz, bem como em detecção de raios X e tecnologias de imagem. “Além disso, esses materiais apresentam propriedades quânticas surpreendentes, como a coerência quântica à temperatura ambiente”, explica Alpichschau, cujo grupo de pesquisa estuda fenômenos complexos em materiais avançados.
Como as células solares geram e transportam carga
Para que qualquer célula solar funcione de forma eficiente, ela deve absorver a luz solar e convertê-la em cargas elétricas. Este processo produz elétrons com carga negativa e “buracos” com carga positiva. Essas cargas devem então viajar através do material e atingir os eletrodos para gerar eletricidade utilizável.
Esta jornada não é fácil. As cargas devem viajar centenas de mícrons, o que equivaleria a centenas de quilômetros em escala humana, sem ficar presas ou perdidas no caminho.
Nas células solares de silício, esse problema é resolvido eliminando defeitos que podem reter cargas antes que cheguem aos eletrodos. As perovskitas, entretanto, são criadas por métodos baseados em soluções e contêm naturalmente muitos defeitos. Isso torna seu alto desempenho ainda mais incrível. Como podem as cargas mover-se eficientemente através de um material tão defeituoso e por que razão permanecem separadas o tempo suficiente para o fazer?
Descoberta de forças ocultas em perovskitas
Uma propriedade bem conhecida dos perevskitas aumenta o mistério. Quando elétrons e lacunas formam um par ligado chamado exciton, eles tendem a se recombinar rapidamente. No entanto, experiências mostram que estas cargas muitas vezes permanecem separadas por longos períodos no material.
Para explicar esta contradição, a equipe do ISTA levantou a hipótese de que as forças internas dentro das perovskitas separam ativamente os elétrons e os buracos, evitando a recombinação. Para testar esta ideia, eles usaram técnicas ópticas não lineares para injetar cargas profundamente no material. Sempre que injetavam elétrons e lacunas, observavam uma corrente elétrica constante fluindo em uma direção, mesmo sem aplicar qualquer tensão externa. “Esta observação mostrou claramente que mesmo nas profundezas dos cristais únicos de perovskita cultivada e não modificada, existem forças internas que separam cargas opostas”, diz Alpichshav.
Estudos anteriores mostraram que tal comportamento não deveria ocorrer com base na estrutura cristalina do material. Para resolver esta discrepância, os investigadores levantaram a hipótese de que a separação de encargos não é uniforme. Em vez disso, ocorre em regiões específicas conhecidas como “paredes de domínio”, onde a estrutura do material é ligeiramente alterada. Estas paredes de domínio formam redes interconectadas em todo o material.
Visualização de paredes de domínio usando íons de prata
Confirmar a existência destas redes tem sido um grande desafio. A maioria das técnicas de medição sonda apenas a superfície de um material, enquanto as paredes do domínio existem bem no seu interior.
Para superar essa limitação, Rak desenvolveu uma nova abordagem inspirada em sua formação em química. Como as perovskitas podem conduzir íons, ele investigou se certos íons poderiam atuar como marcadores para revelar estruturas internas. Ele introduziu íons de prata no material, que migraram naturalmente e se acumularam ao longo das paredes do domínio. Esses íons foram então convertidos em prata metálica, tornando a rede visível ao microscópio.
“Este método qualitativo, inventado e implementado no ISTA, é muito semelhante à angiografia em tecido vivo – exceto que estudamos a microestrutura do cristal”, diz Alpichschau.
As “rodovias” de carregamento fornecem um fluxo eficiente de energia
A descoberta de uma densa rede de paredes de domínio nos Peruskitas acabou sendo um ponto de viragem. Essas estruturas atuam como caminhos que guiam as cargas elétricas através do material.
Como explica Rak, “Quando um par elétron-buraco é criado perto de uma parede de domínio, o campo elétrico local separa o elétron e o buraco, colocando-os em lados opostos da parede. Incapazes de se recombinarem imediatamente, eles podem flutuar ao longo das paredes do domínio durante o que parecem ser eras na escala de tempo do portador de carga e viajar longas distâncias.” Com efeito, estas paredes de domínio funcionam como “rodovias para portadores de carga”, permitindo que as cargas se movam de forma eficiente e contribuam para a geração de eletricidade.
Explicação completa e caminho a seguir
Os pesquisadores enfatizam que seu trabalho fornece a única explicação para o comportamento dos Perevskits. “Com este quadro abrangente, podemos finalmente reconciliar muitas observações anteriormente conflitantes sobre perovskitas de haleto de chumbo, resolvendo um debate de longa data sobre a fonte de sua eficiência superior na captação de energia”, diz Ruck.
Até agora, a maioria dos esforços para melhorar as células solares de perovskita concentraram-se no ajuste da sua química, mas o progresso tem sido limitado. Este novo entendimento abre a porta para a concepção da sua estrutura interna, aumentando potencialmente a eficiência sem comprometer as suas vantagens de produção de baixo custo. As descobertas podem desempenhar um papel fundamental no uso generalizado de tecnologias solares de próxima geração em laboratório.
