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As perovskitas, uma família de materiais com propriedades elétricas únicas, são promissoras para uso em vários campos, incluindo células solares de última geração. Uma equipe de cientistas liderada pela Penn State criou um novo processo para fabricar grandes dispositivos de perovskita que é mais econômico e econômico do que era possível anteriormente e que, segundo eles, pode acelerar a descoberta futura de materiais.
“Este método que desenvolvemos nos permite criar facilmente amostras em massa muito grandes em alguns minutos, em vez de dias ou semanas usando métodos tradicionais”, disse Luyao Zheng, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Ciência de Materiais da Penn State e principal autor do estudo. . “E nossos materiais são de alta qualidade – suas propriedades podem competir com as perovskitas de cristal único.”
Os pesquisadores usaram um método de sinterização chamado técnica de sinterização assistida por campo elétrico e mecânico (EM-FAST) para criar os dispositivos. A sinterização é um processo comumente usado para comprimir pós finos em uma massa sólida de material usando calor e pressão.
Um processo típico para fazer perovskitas envolve química úmida – os materiais são liquefeitos em uma solução de solvente e depois solidificados em filmes finos. Esses materiais têm excelentes propriedades, mas a abordagem é cara e ineficiente para criar grandes perovskitas e os solventes usados podem ser tóxicos, disseram os cientistas.
“Nossa técnica é o melhor dos dois mundos”, disse Bed Poudel, professor pesquisador da Penn State e co-autor. “Obtemos propriedades semelhantes a cristais únicos e não precisamos nos preocupar com limitações de tamanho ou qualquer contaminação ou produção de materiais tóxicos”.
Por usar materiais secos, a técnica EM-FAST abre as portas para incluir novos dopantes, ingredientes adicionados para customizar as propriedades do dispositivo, que não são compatíveis com a química úmida usada para fazer filmes finos, potencialmente acelerando a descoberta de novos materiais, os cientistas disse.
“Isso abre possibilidades para projetar e desenvolver novas classes de materiais, incluindo melhores materiais termoelétricos e solares, bem como detectores de raios X e γ”, disse Amin Nozariasbmarz, professor assistente de pesquisa na Penn State e coautor. “Algumas das aplicações são coisas que já conhecemos, mas como esta é uma nova técnica para fazer novos materiais de perovskita de haleto com propriedades, estruturas e composições controladas, talvez haja espaço no futuro para novos avanços a partir disso.”
Além disso, o novo processo permite materiais em camadas – um pó embaixo do outro – para criar composições de designer. No futuro, os fabricantes poderão projetar dispositivos específicos e imprimi-los diretamente a partir de pós secos, disseram os cientistas.
“Prevemos que esta perovskita FAST abriria outra dimensão para síntese de material de alto rendimento, futura fabricação de dispositivos de impressão direta a partir do pó e aceleraria a descoberta de material de novas composições de perovskita”, disse Kai Wang, professor assistente de pesquisa na Penn State e coautor .
O EM-FAST, também conhecido como sinterização por plasma de faísca, envolve a aplicação de corrente elétrica e pressão a pós para criar novos materiais. O processo tem um rendimento de 100% – todos os ingredientes brutos vão para o dispositivo final, em oposição a 20 a 30% no processamento baseado em solução.
A técnica produziu materiais de perovskita a 0,2 polegadas por minuto, permitindo aos cientistas criar rapidamente grandes dispositivos que mantiveram alto desempenho em testes de laboratório. A equipe relatou suas descobertas no jornal Natureza Comunicações.
Os cientistas da Penn State há muito usam o EM-FAST para criar dispositivos termoelétricos. Este trabalho representa a primeira tentativa de criar materiais de perovskita com a técnica, disseram os cientistas.
“Devido ao histórico que temos, estávamos conversando e pensamos que poderíamos mudar alguns parâmetros e tentar isso com perovskitas”, disse Nozariasbmarz. “E isso apenas abriu uma porta para um novo mundo. Este artigo é um link para essa porta – para novos materiais e novas propriedades.”
Outros pesquisadores da Penn State no projeto foram Wenjie Li e Dong Yang, professores assistentes de pesquisa; Ke Wang, cientista da equipe do Instituto de Pesquisa de Materiais; Jungjin Yoon, Tao Ye e Yu Zhang, pesquisadores de pós-doutorado; Yuchen Hou, candidato a doutorado; e Shashank Priya, ex-vice-presidente associado de pesquisa e diretor de iniciativas estratégicas e professor de ciência e engenharia de materiais.
Também contribuiu Mohan Sanghadasa, Centro de Aviação e Mísseis do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.
Os pesquisadores receberam apoio do Centro de Parcerias de Pesquisa entre Indústria e Universidade da National Science Foundation para Materiais e Sistemas de Colheita de Energia, Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e Escritório de Pesquisa Naval e Pesquisa do Exército.
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