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Crédito: Sung et al.
Os perovskitos híbridos orgânicos ou inorgânicos de halogenetos inorgânicos são uma classe única de materiais de células solares que quebram algumas das regras de projeto de materiais que existem há mais de 30 anos. Por exemplo, eles podem obter um desempenho extraordinariamente alto, apesar de ricos em defeitos e desordenados em escala macroscópica.
Essa qualidade desordenada contrasta fortemente com os semicondutores inorgânicos mais tradicionais que são usados atualmente para fabricar 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 nos materiais. Enquanto muitos pesquisadores tentaram entender melhor essa dinâmica, muitas questões permanecem sem resposta.
Por exemplo, até agora o transporte balístico de portadores de carga (por exemplo, elétrons) através desses materiais, também conhecido como propagação balística, não desempenha nenhum papel relevante na habilitação do funcionamento de diodos emissores de energia fotovoltaica (PVs) e emissores de luz. Isso ocorre porque essa propagação é interrompida rapidamente após a geração das transportadoras, por meio de um processo conhecido como dispersão.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Cambridge e da Universidade de Oxford recentemente realizou um estudo destinado a descobrir mais sobre a dinâmica do portador de carga em materiais de perovskita . Seu estudo, publicado na revista Nature Physics , investigou especificamente a dinâmica espaço-temporal de portadores imediatamente após os fótons serem absorvidos por filmes de perovskita de iodeto de chumbo e metilamônio.
"Curiosamente, os materiais híbridos perovskitas de haleto orgânico-inorgânico híbrido também exibem uma dinâmica ultra-rápida na escala de tempo abaixo de 200 fs, que permaneceu praticamente inexplorada até agora", disseram os pesquisadores ao Phys.org, por e-mail. "Portanto, buscamos uma sonda direta para visualizar o comportamento do transporte de carga fotoinduzida nesses materiais na escala de tempo de femtossegundos, juntamente com a precisão espacial dos nanômetros".
Para investigar a dinâmica espaço-temporal de transportadores em filmes de perovskita com iodeto de chumbo e metilamônio, os pesquisadores usaram um microscópio óptico com resolução temporal com extrema resolução temporal e precisão espacial em nanômetros. 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 com foco fraco no material e variar o atraso de tempo em relação ao feixe da bomba, a dinâmica espacial da distribuição de elétrons fotogerados pode ser registrada", explicaram os pesquisadores. "Como 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 pelo seu microscópio óptico permitiu aos pesquisadores distinguir dinâmicas em escalas de comprimento tão pequenas quanto dez nanômetros dentro do material. Usando esta técnica de microscopia óptica resolvida no 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 mostrando claramente o funcionamento dos materiais de perovskita diretamente após a absorção de fótons. Eles descobriram que imediatamente após a absorção dos fótons, os elétrons nesses materiais se movem extremamente rapidamente 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 quadrado médio", 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 ms- 1 ao longo de 150 nm, que é quase 1% da velocidade da luz acima de 150 nm. Essa enorme velocidade implica que, nos perovskitas de iodetos, os elétrons se movem de maneira ondulatória, conforme descrito pelas teorias da mecânica quântica que preveem a dualidade onda-partícula.
"Este é um resultado muito surpreendente, já que há muito se pressupõe que o comportamento mecânico quântico dos elétrons se decompõe muito rapidamente nas células solares e abre caminho para o comportamento" clássico "", disseram os pesquisadores.
As observações podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias, pois acabam exigindo uma reavaliação das teorias atuais sobre como as células solares funcionam, tanto as feitas de perovskitas quanto as fabricadas com outros semicondutores inorgânicos. De fato, ao contrário da maioria dos estudos anteriores, esses achados sugerem que o comportamento quântico está presente na maioria das células solares em operação.
"Agora que descobrimos esse regime de transporte sem precedentes, começaremos a examinar outros materiais para ver se existe uma regra de design universal que dite a aparência do transporte balístico", disseram os pesquisadores. "Se conseguirmos estabelecer uma conexão universal, pode ser transformador da maneira como pensamos em projetar células solares no futuro".
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Mais informações: Jooyoung Sung et al. Propagação balística de longo alcance de transportadores em filmes finos de perovskita de iodeto de chumbo e metilamônio, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038 / s41567-019-0730-2
Informações da revista: Nature Physics
Fonte: Physic News / por Ingrid Fadelli, Phys.org / 17-12-2019
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se membro
da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
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