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A eficiência das células solares aumentou nos últimos anos devido aos materiais que captam luz, como as perovskitas haleto, mas a capacidade de produzi-los de forma confiável em escala continua a ser um desafio.
Um processo desenvolvido pela engenheira química e biomolecular Aditya Mohite da Rice University e colaboradores da Northwestern University, da University of Pennsylvania e da University of Rennes produz camadas semicondutoras 2D baseadas em perovskita de espessura e pureza ideais, controlando a temperatura e a duração do processo de cristalização.
Conhecido como confinamento espacial controlado cineticamente, o processo poderia ajudar a melhorar a estabilidade e reduzir o custo de tecnologias emergentes baseadas em perovskita haleto, como optoeletrônica e fotovoltaica.
“A produção de cristais de perovskita 2D com espessuras de camada – ou espessura de poço quântico, também conhecida como ‘valor n’ – maiores que dois é um grande gargalo”, disse Jin Hou, Ph.D. estudante da Escola de Engenharia George R. Brown de Rice, que é o principal autor de um estudo sobre o processo publicado na Nature Synthesis. “Um valor n superior a quatro significa que os materiais têm um intervalo de banda mais estreito e maior condutividade elétrica – um fator crucial para aplicação em dispositivos eletrônicos.”
À medida que se transformam em cristais, os átomos ou moléculas se organizam em redes regulares e altamente organizadas. O gelo, por exemplo, tem 18 arranjos ou fases atômicas possíveis. Assim como os átomos de hidrogênio e oxigênio no gelo, as partículas que constituem as perovskitas haleto também podem formar múltiplos arranjos de rede. Como as propriedades do material dependem da fase, os cientistas pretendem sintetizar camadas de haleto de perovskita 2D que exibem apenas uma única fase. O problema, entretanto, é que os métodos tradicionais de síntese para perovskitas 2D de maior valor n geram um crescimento desigual de cristais, o que afeta a confiabilidade do desempenho do material.
“Nos métodos tradicionais de síntese de perovskita 2D, você obtém cristais com fases mistas devido à falta de controle sobre a cinética de cristalização, que é basicamente a interação dinâmica entre temperatura e tempo”, disse Hou. “Projetamos uma maneira de desacelerar a cristalização e ajustar cada parâmetro cinético gradualmente para atingir o ponto ideal para a síntese de fase pura.”
Além de projetar um método de síntese que pode alcançar um aumento gradual do valor n em perovskitas haleto 2D, os pesquisadores também criaram um mapa ⎯ ou diagrama de fase ⎯ do processo por meio de caracterização, espectroscopia óptica e aprendizado de máquina.
“Este trabalho amplia os limites da síntese de perovskitas 2D em poços quânticos superiores, tornando-as uma opção viável e estável para uma variedade de aplicações”, disse Hou.
“Desenvolvemos um novo método para melhorar a pureza dos cristais e resolvemos uma questão de longa data na área sobre como abordar a síntese de cristais de fase pura e de alto valor n”, disse Mohite, professor associado de engenharia química e biomolecular. e ciência de materiais e nanoengenharia, cujo laboratório foi pioneiro em vários métodos para melhorar a qualidade e o desempenho de semicondutores de haleto perovskita, desde a calibração do estágio inicial de cristalização até o ajuste fino do design do solvente.
“Este avanço na pesquisa é fundamental para a síntese de perovskitas 2D, que são a chave para alcançar estabilidade comercialmente relevante para células solares e para muitas outras aplicações de dispositivos optoeletrônicos e interações fundamentais de matéria leve”, acrescentou Mohite.
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