Átomos dançantes em materiais de perovskita fornecem uma visão sobre como as células solares funcionam slac acelerador nacional laboratório artrose cervicale esporte

Um olhar mais atento aos materiais que compõem as células solares convencionais revela um arranjo quase rígido de átomos com pouco movimento. Mas em perovskitas híbridas, uma classe promissora de materiais de células solares, os arranjos são mais flexíveis e os átomos dançam loucamente, um efeito que afeta o desempenho das células solares, mas tem sido difícil de medir.

Em um artigo publicado nos anais da Academia Nacional de Ciências, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo laboratório acelerador nacional SLAC do Departamento de Energia dos Estados Unidos desenvolveu uma nova compreensão dessas danças selvagens e como elas afetam o funcionamento dos materiais de perovskita. Os resultados poderiam explicar por que as células solares de perovskita são tão eficientes e ajudam a projetar células solares transportadoras a quente, uma tecnologia teorizada que quase dobraria os limites de eficiência das células solares convencionais convertendo mais luz solar em energia elétrica utilizável.

Peça do quebra-cabeça

As células solares de perovskita, que podem ser produzidas à temperatura ambiente, oferecem uma alternativa menos dispendiosa e de melhor desempenho aos materiais de células solares convencionais, como o silício, que têm de ser fabricados a temperaturas extremamente altas para eliminar defeitos. Mas a falta de compreensão sobre o que torna os materiais de perovskita tão eficientes na conversão da luz solar em eletricidade tem sido um grande obstáculo para a produção de células solares de perovskita de eficiência ainda maior.

“É realmente apenas nos últimos cinco ou seis anos que as pessoas desenvolveram esse intenso interesse em materiais de perovskita solar”, diz Mike Toney, cientista da equipe de luz de radiação síncrotron (SSRL) do SLAC que liderou o estudo. “Como consequência, muito do conhecimento básico sobre o que faz o material funcionar está faltando. Nesta pesquisa, fornecemos uma peça importante desse quebra-cabeça, mostrando o que os diferencia dos materiais de células solares mais convencionais. Isso nos fornece fundamentos científicos que nos permitirão começar a projetar esses materiais de maneira racional ”.

Mas antes que isso aconteça, a maior parte da energia do sol é perdida para aquecer com alguma fração também perdida durante a extração de energia utilizável ou devido à coleta ineficiente de luz. Em muitas células solares convencionais, como as feitas com silício, os fónons acústicos – uma espécie de onda sonora que se propaga através do material – são a principal forma de o calor ser transportado pelo material. A energia perdida pelo elétron como calor limita a eficiência da célula solar.

Neste estudo, os teóricos do reino unido, liderados pelo professor universitário imperial aron walsh e os teóricos da estrutura eletrônica jonathan skelton e jarvist frost, forneceram uma estrutura teórica para interpretar os resultados experimentais. Eles previram que os fônons acústicos viajando através de perovskitas teriam vidas curtas como resultado dos arranjos flexíveis de átomos e moléculas dançantes no material.

Os químicos de Stanford, hema karunadasa e ian smith, foram capazes de cultivar os grandes cristais únicos especializados que eram essenciais para este trabalho. Com a ajuda de peter gehring, um físico do centro NIST para pesquisa de nêutrons, a equipe espalhou nêutrons desses cristais individuais de perovskita de um modo que lhes permitiu refazer o movimento dos átomos e moléculas dentro do material. Isso permitiu medir com precisão a vida útil dos fônons acústicos.

Quando os pesquisadores dispersaram os nêutrons do material da perovskita (raio vermelho), eles foram capazes de medir a energia que os nêutrons perderam ou ganharam (linhas brancas e azuis). Usando esta informação, eles puderam ver a estrutura e movimento dos átomos e moléculas dentro do material (arranjo de esferas azuis e roxas). (greg stewart / laboratório acelerador nacional SLAC)

A equipe de pesquisa descobriu que, em perovskitas, os fônons acústicos são incrivelmente de curta duração, sobrevivendo por apenas 10 a 20 trilhões de segundo. Sem esses fônons transportando calor através do material, os elétrons podem ficar quentes e manter sua energia quando são retirados do material. O aproveitamento desse efeito poderia levar potencialmente a células solares portadoras de calor com eficiências quase duas vezes mais altas que as células solares convencionais.

Para acompanhar este estudo, pesquisadores do centro de semicondutores híbridos orgânicos e inorgânicos para energia (CHOISE), centro de pesquisa de energia liderado pelo laboratório nacional de energia renovável do DOE, investigarão esse fenômeno em materiais de perovskita mais complicados que são mostrados como mais eficientes. dispositivos de energia. Eles gostariam de descobrir como mudar a composição química do material afeta a vida útil do fonão acústico.

“Precisamos transformar fundamentalmente nosso sistema de energia o mais rápido possível”, diz aryeh gold-parker, que liderou o estudo como estudante de doutorado na Universidade de Stanford e no SLAC. “À medida que nos movemos em direção a um futuro de baixo carbono, uma peça muito importante é ter células solares baratas e eficientes. A esperança nos perovskitas é que eles levem a painéis solares comerciais que sejam mais eficientes e mais baratos do que os que estão no mercado hoje ”.