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O silício, o material semicondutor padrão usado em uma série de aplicações – unidades centrais de processamento de computadores (CPUs), chips semicondutores, detectores e células solares – é um material abundante e natural. No entanto, é caro minerar e purificar.
As perovskitas – uma família de materiais apelidados por sua estrutura cristalina – mostraram uma promessa extraordinária nos últimos anos como um substituto muito mais barato e igualmente eficiente para o silício em células solares e detectores. Agora, um estudo liderado por Chunlei Guo, professor de óptica da Universidade de Rochester, sugere que as perovskitas podem se tornar muito mais eficientes.
Em vez disso, Guo propõe uma nova abordagem baseada na física. Usando um substrato de uma camada de metal ou camadas alternadas de metal e material dielétrico – em vez de vidro – ele e seus coautores descobriram que poderiam aumentar a eficiência de conversão de luz da perovskita em 250%.
Suas descobertas são relatadas em Fotônica da Natureza.
“Ninguém mais chegou a essa observação em perovskitas”, diz Guo. “De repente, podemos colocar uma plataforma de metal sob uma perovskita, mudando completamente a interação dos elétrons dentro da perovskita. Assim, usamos um método físico para projetar essa interação.”
Nova combinação perovskita-metal cria ‘muita física surpreendente’
Os metais são provavelmente os materiais mais simples da natureza, mas podem ser feitos para adquirir funções complexas. O Guo Lab tem uma vasta experiência nessa direção. O laboratório foi pioneiro em uma série de tecnologias que transformam metais simples em preto como breu, superhidrofílico (atrai a água) ou superhidrofóbico (repelente à água). Os metais aprimorados têm sido usados para absorção de energia solar e purificação de água em seus estudos recentes.
Neste novo artigo, em vez de apresentar uma maneira de aprimorar o próprio metal, o Guo Lab demonstra como usar o metal para aumentar a eficiência das pervosquitas.
“Um pedaço de metal pode fazer tanto trabalho quanto uma engenharia química complexa em um laboratório úmido”, diz Guo, acrescentando que a nova pesquisa pode ser particularmente útil para a futura coleta de energia solar.
Em uma célula solar, os fótons da luz solar precisam interagir e excitar os elétrons, fazendo com que os elétrons deixem seus núcleos atômicos e gerem uma corrente elétrica, explica Guo. Idealmente, a célula solar usaria materiais fracos para puxar os elétrons excitados de volta aos núcleos atômicos e interromper a corrente elétrica.
O laboratório de Guo demonstrou que essa recombinação poderia ser substancialmente evitada combinando um material de perovskita com uma camada de metal ou um substrato de metamaterial consistindo em camadas alternadas de prata, um metal nobre e óxido de alumínio, um dielétrico.
O resultado foi uma redução significativa da recombinação de elétrons por meio de “muita física surpreendente”, diz Guo. Com efeito, a camada de metal serve como um espelho, que cria imagens invertidas de pares elétron-buraco, enfraquecendo a capacidade dos elétrons de se recombinarem com os buracos.
O laboratório foi capaz de usar um detector simples para observar o aumento resultante de 250% na eficiência da conversão de luz.
Vários desafios devem ser resolvidos antes que as perovskitas se tornem práticas para aplicações, especialmente sua tendência a se degradar de forma relativamente rápida. Atualmente, os pesquisadores estão correndo para encontrar novos materiais de perovskita mais estáveis.
“À medida que surgem novas perovskitas, podemos usar nosso método baseado em física para melhorar ainda mais seu desempenho”, diz Guo.
Os coautores incluem Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang e Mohamed Elkabbash, todos membros atuais e antigos do Guo Lab, e Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang e Weili Yu, todos do Changchun Institute of Óptica, Mecânica Fina e Física na China.
A Fundação Bill e Melinda Gates, o Escritório de Pesquisa do Exército e a Fundação Nacional de Ciências apoiaram esta pesquisa.
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