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Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia desenvolveu uma nova ferramenta de caracterização que lhes permitiu obter uma visão única sobre um possível material alternativo para células solares. Sob a liderança de Jigang Wang, cientista sênior do Ames Lab, a equipe desenvolveu um microscópio que usa ondas de terahertz para coletar dados em amostras de materiais. A equipe então usou seu microscópio para explorar o iodeto de chumbo de metilamônia (MAPbI3) perovskita, um material que poderia substituir o silício em células solares.
Richard Kim, um cientista do Ames Lab, explicou os dois recursos que tornam o novo microscópio de sonda de varredura único. Primeiro, o microscópio usa a faixa terahertz de frequências eletromagnéticas para coletar dados sobre materiais. Essa faixa está muito abaixo do espectro de luz visível, situando-se entre as frequências infravermelha e de micro-ondas. Em segundo lugar, a luz terahertz é emitida através de uma ponta metálica afiada que aumenta as capacidades do microscópio em escalas de comprimento nanométrico.
“Normalmente, se você tem uma onda de luz, não consegue ver coisas menores que o comprimento de onda da luz que está usando. E para esta luz terahertz, o comprimento de onda é de cerca de um milímetro, então é bem grande”, explicou Kim. “Mas aqui usamos esta ponta metálica afiada com um ápice que é afiado para uma curvatura de raio de 20 nanômetros, e isso atua como nossa antena para ver coisas menores do que o comprimento de onda que estávamos usando”.
Usando este novo microscópio, a equipe investigou um material de perovskita, MAPbI3, que recentemente se tornou de interesse dos cientistas como uma alternativa ao silício em células solares. As perovskitas são um tipo especial de semicondutor que transporta uma carga elétrica quando exposta à luz visível. O principal desafio para usar MAPbI3 em células solares é que ele se degrada facilmente quando exposto a elementos como calor e umidade.
Segundo Wang e Kim, a equipe esperava que o MAPbI3 para se comportar como um isolante quando o expuseram à luz terahertz. Como os dados coletados em uma amostra são uma leitura de como a luz se espalha quando o material é exposto às ondas de terahertz, eles esperavam um baixo nível consistente de dispersão de luz em todo o material. O que eles descobriram, no entanto, foi que havia muita variação na dispersão da luz ao longo do limite entre os grãos.
Kim explicou que materiais condutores, como metais, teriam um alto nível de dispersão de luz, enquanto materiais menos condutores, como isolantes, não teriam tanto. A ampla variação de espalhamento de luz detectada ao longo dos contornos de grão em MAPbI3 lança luz sobre o problema de degradação do material.
Ao longo de uma semana, a equipe continuou coletando dados sobre o material, e os dados coletados nesse período mostraram o processo de degradação por meio de mudanças nos níveis de espalhamento de luz. Esta informação pode ser útil para melhorar e manipular o material no futuro.
“Acreditamos que o presente estudo demonstra uma poderosa ferramenta de microscopia para visualizar, entender e potencialmente mitigar a degradação do limite de grão, armadilhas de defeitos e degradação de materiais”, disse Wang. “Uma melhor compreensão dessas questões pode permitir o desenvolvimento de dispositivos fotovoltaicos baseados em perovskita altamente eficientes por muitos anos”.
As amostras de MAPbI3 foram fornecidos pela Universidade de Toledo. Esta pesquisa é discutida no artigo “Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials”, escrito por Richard HJ Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo e Jigang Wang, e publicado no Fotônica ACS.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Laboratório DOE/Ames. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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