Tricamada em nanoescala exibe transferência de carga ultrarrápida em materiais semicondutores

Inovar com sucesso em dispositivos semicondutores optoeletrônicos depende muito da movimentação de cargas e éxcitons — pares elétron-lacuna — em direções específicas com o objetivo de criar combustíveis ou eletricidade.

Na fotossíntese, moléculas de pigmento absorvem e transferem energia solar para um centro de reação, onde a energia é convertida e usada. Conforme esse processo ocorre, os fótons geram pares elétron-buraco que devem ser separados para iniciar reações químicas.

Inspirados no processo natural da fotossíntese, pesquisadores do National Renewable Energy Laboratory (NREL) desenvolveram uma tricamada de semicondutores de dimensionalidade mista (2D/1D/2D) para permitir a dissociação de excitons. Essa etapa de dissociação de excitons, uma divisão e separação espacial de pares de elétrons-buracos excitados, é um processo microscópico fundamental para o desempenho de sistemas fotovoltaicos.

Os pesquisadores detalham as descobertas no artigo intitulado “Ultrafast Charge Transfer Cascade in a Mixed-Dimensionality Nanoscale Trilayer” publicado em ACS Nano.

À medida que a transição para energia limpa avança, os avanços em sistemas fotovoltaicos, que convertem a luz solar em eletricidade, são cruciais. A energia fotovoltaica depende da criação ativada pela luz de pares separados de elétrons-buracos para acionar um circuito externo.

“Neste estudo, fomos capazes de criar pares de elétrons-buracos ativados pela luz e separá-los por um longo tempo, mais longo do que sistemas semelhantes relatados anteriormente”, disse Alexis Myers, pesquisadora de pós-graduação do NREL.

Materiais de baixa dimensão apresentam oportunidades para estudo de transferência de éxcitons

As diversas e ajustáveis ​​propriedades eletrônicas e ópticas de materiais de baixa dimensão confinados quânticos, como dicalcogenetos de metais de transição bidimensionais (2D) (TMDCs) e nanotubos de carbono de parede simples unidimensionais (1D) (SWCNTs), os tornam os principais candidatos para estudos fundamentais sobre transferência de carga e éxciton.

Esses tipos de materiais têm interações Coulomb elétron-buraco aprimoradas, onde a força eletrostática faz com que a atração entre um elétron e um buraco de elétron forme um exciton. Para separar as cargas, os pesquisadores devem superar a atração, dificultada pelas grandes energias de ligação.

Esses materiais exibem grandes energias de ligação de excitons — a energia necessária para a dissociação de excitons — que podem inibir a geração de correntes elétricas para fotovoltaicos, fotodetectores e sensores ou ligações químicas em esquemas de combustível solar. Então, os pesquisadores do NREL buscaram desenvolver uma heterotricamada que abordasse esse desafio.

“Estender a vida útil da separação de carga é necessário para aumentar a chance de extração de carga”, disse Myers.

“A criação de bicamadas e tricamadas vem desse desejo de aumentar a distância entre cargas separadas. No entanto, não está claro na literatura se as cargas ‘separadas’ ainda estão eletrostaticamente ligadas através da interface. Então, embora separadas, a interação de Coulomb ainda está presente, o que pode diminuir os tempos de vida de separação de carga.

“Na tricamada, conseguimos rastrear os movimentos dos elétrons e buracos sequencialmente através de cada camada, confirmando que eles de fato não estão mais ligados uns aos outros.”

O aumento da vida útil da separação de carga permite melhor geração de corrente elétrica

Heteroestruturas complexas e de baixa dimensão — como TMDCs — apresentam vidas úteis mais longas, iniciando reações fotoquímicas importantes, que são essenciais para gerar eletricidade em energia fotovoltaica.

Alexis Myers e sua equipe desenvolveram uma heterotricamada de dimensionalidade mista de SWCNTs entre dois semicondutores que permite uma cascata de transferência de carga fotoinduzida, onde os elétrons (portadores de carga negativa) se movem em uma direção, enquanto os buracos (portadores de carga positiva) se movem na outra direção.

A heterotricamada imita a cascata natural de transferência de carga observada na fotossíntese das plantas, que inspirou seu desenvolvimento. Uma parte essencial da heteroestrutura é a camada intermediária unidimensional, que ajuda os portadores de carga a se difundirem eficientemente de uma camada 2D para a outra.

O estudo também analisou a mecânica da difusão de portadores em TMDCs. Usando espectroscopia de absorção transiente, os pesquisadores rastrearam a dissociação de excitons e a difusão de carga através da heterotricamada, observando a transferência ultrarrápida de elétrons para uma camada e a transferência de buracos para a outra.

A arquitetura de três camadas parece facilitar a transferência ultrarrápida de lacunas e a dissociação de éxcitons, resultando em uma separação de carga de longa duração.

A cascata de transferência de carga permite um estado excitado — onde elétrons e buracos residem em lugares separados dentro da tricamada — onde reações fotoquímicas podem ser iniciadas. Vidas de separação de carga mais longas podem significar maior geração de corrente elétrica porque mais elétrons e buracos não se recombinaram.

A tricamada produziu o dobro do rendimento de portadora em comparação com uma bicamada 2D/1D. Ela também capacitou as cargas separadas para superar as energias de ligação do exciton intercamada de cargas separadas não ligadas, um desafio fundamental com tais materiais.

“Esses materiais têm alta interação eletrostática entre o elétron e o buraco, mas mostramos que podemos separá-los com sucesso por meio de difusão eficiente ao longo da malha SWCNT”, disse Alejandra Hermosilla Palacios, do NREL, pesquisadora de pós-doutorado em ciência dos materiais.

“A análise cinética das diferentes etapas é necessária para entender a eficiência nesses sistemas. Temos focado principalmente na difusão de cargas graças aos SWCNTs. Gostaríamos de entender como as cargas se difundem ou se movem na camada TMDC para propor melhor novos sistemas que possam levar a maiores eficiências — mais elétrons e buracos gerados — e até mesmo cargas de vida mais longa (chance de maior geração de corrente elétrica).”

Em cascatas de transferência de carga anteriores, o mecanismo de transferência de carga não é claro ou não ocorre como esperado.

“Nossos resultados sugerem que cascatas de transferência de carga bem definidas podem resultar em tempos de vida separados de carga mais longos e maior rendimento de carga (ou transferência eficiente), abrindo caminho para uma melhor compreensão de como as cargas estão se movendo através desses sistemas e como podemos continuar a otimizá-los”, disse Myers.

Estudos futuros: Inovação futura

Os resultados do estudo posicionam esses modelos em nanoescala para estudos fundamentais adicionais da mecânica da dinâmica de portadores. O rendimento aprimorado de portadores de carga sugere aplicações futuras em sistemas optoeletrônicos avançados. “O objetivo é continuar a desconvoluir cada etapa do processo fotovoltaico para avançar na otimização”, disse Myers.

“Nossos resultados mostram implicações promissoras para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos em nanoescala, como células solares e arquiteturas de combustível solar”, disse Hermosilla Palacios.

“Heteroestruturas de dimensionalidade mista demonstram vantagens fotofísicas e tecnológicas que podem aprimorar e acelerar a inovação em optoeletrônica.”