Tecnologia Científica

Primeiro vislumbre de polarons se formando em um material promissor de energia de próxima geração
Agora, os cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford usaram o laser de raios X do laboratório para observar e medir diretamente a formação de polarons pela primeira vez.
Por Glennda Chui - 05/01/2021


Uma ilustração mostra polarons - distorções fugazes na rede atômica de um material - em um promissor material de energia da próxima geração, a perovskita híbrida de chumbo. Cientistas do SLAC e de Stanford observaram pela primeira vez como essas "bolhas" de distorção se formam em torno dos portadores de carga - elétrons e buracos que foram liberados por pulsos de luz - que são mostrados como pontos brilhantes aqui. Esse processo pode ajudar a explicar por que os elétrons viajam tão eficientemente nesses materiais, levando a um alto desempenho da célula solar. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Os polarons são distorções fugazes na rede atômica de um material que se formam em torno de um elétron em movimento em alguns trilionésimos de segundo e depois desaparecem rapidamente. Por mais efêmeros que sejam, eles afetam o comportamento de um material e podem até ser o motivo pelo qual as células solares feitas com perovskitas híbridas de chumbo alcançam eficiências extraordinariamente altas em laboratório.

Agora, os cientistas do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford usaram o laser de raios X do laboratório para observar e medir diretamente a formação de polarons pela primeira vez. Eles relataram suas descobertas na Nature Materials hoje.

“A ideia de que polarons podem estar envolvidos existe há alguns anos”, disse ele. "Mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e como evoluem."


"Esses materiais tomaram o campo da pesquisa de energia solar como uma tempestade por causa de sua alta eficiência e baixo custo, mas as pessoas ainda discutem por que eles funcionam", disse Aaron Lindenberg, um investigador do Instituto de Stanford para Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC e professor associado em Stanford que liderou a pesquisa.

“A ideia de que polarons podem estar envolvidos existe há alguns anos”, disse ele. "Mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e como evoluem."

Emocionante, complexo e difícil de entender

As perovskitas são materiais cristalinos nomeados em homenagem ao mineral perovskita , que possui uma estrutura atômica semelhante. Os cientistas começaram a incorporá-los às células solares há cerca de uma década, e a eficiência dessas células em converter a luz do sol em energia tem aumentado constantemente, apesar do fato de seus componentes perovskita terem muitos defeitos que deveriam inibir o fluxo de corrente.

Esses materiais são famosos por serem complexos e difíceis de entender, disse Lindenberg. Embora os cientistas as considerem empolgantes porque são eficientes e fáceis de fazer, aumentando a possibilidade de que poderiam tornar as células solares mais baratas do que as células de silício de hoje, elas também são altamente instáveis, quebram quando expostas ao ar e contêm chumbo que deve ser mantido fora do meio ambiente.

Estudos anteriores no SLAC investigaram a natureza das perovskitas com uma "câmera de elétrons" ou com feixes de raios-X. Entre outras coisas, eles revelaram que a luz gira átomos em perovskitas e também mediram a vida útil dos fônons acústicos - ondas sonoras - que transportam calor através dos materiais.

Uma ilustração mostra polarons - distorções fugazes na rede atômica de um material -
em um material de energia promissor de próxima geração, a perovskita híbrida de chumbo.
Cientistas do SLAC e de Stanford observaram pela primeira vez como essas "bolhas" de
distorção se formam em torno dos portadores de carga - elétrons e buracos que foram
liberados por pulsos de luz - que são mostrados como pontos brilhantes aqui. Esse processo
pode ajudar a explicar por que os elétrons viajam tão eficientemente nesses materiais,
levando a um alto desempenho da célula solar. Crédito: Greg
Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Para este estudo, a equipe de Lindenberg usou a Linac Coherent Light Source (LCLS) do laboratório, um poderoso laser de elétrons livres de raios-X que pode gerar imagens de materiais em detalhes quase atômicos e capturar movimentos atômicos que ocorrem em milionésimos de bilionésimo de segundo. Eles examinaram os cristais únicos do material sintetizado pelo grupo do professor associado Hemamala Karunadasa em Stanford.
 
Eles atingiram uma pequena amostra do material com a luz de um laser óptico e então usaram o laser de raios-X para observar como o material respondia ao longo de dezenas de trilionésimos de segundo.

Bolhas de distorção em expansão

"Quando você coloca uma carga em um material atingindo-o com luz, como acontece em uma célula solar, os elétrons são liberados e esses elétrons livres começam a se mover ao redor do material", disse Burak Guzelturk, cientista do Laboratório Nacional de Argonne do DOE que era um pesquisador de pós-doutorado em Stanford na época dos experimentos.

"Logo eles são cercados e engolfados por uma espécie de bolha de distorção local - o polaron - que viaja junto com eles", disse ele. "Algumas pessoas argumentaram que esta 'bolha' protege os elétrons de espalhar defeitos no material e ajuda a explicar por que eles viajam tão eficientemente para o contato da célula solar para fluir como eletricidade."

A estrutura híbrida da rede perovskita é flexível e macia - como "uma estranha combinação de um sólido e um líquido ao mesmo tempo", como diz Lindenberg - e é isso que permite que os polarons se formem e cresçam.

Suas observações revelaram que as distorções polarônicas começam muito pequenas - na escala de alguns angstroms, sobre o espaçamento entre os átomos em um sólido - e se expandem rapidamente para fora em todas as direções até um diâmetro de cerca de 5 bilionésimos de metro, que é cerca de 50 aumento de vezes. Isso empurra cerca de 10 camadas de átomos ligeiramente para fora dentro de uma área aproximadamente esférica ao longo de dezenas de picossegundos, ou trilionésimos de segundo.

“Esta distorção é realmente muito grande, algo que não conhecíamos antes”, disse Lindenberg. "Isso é algo totalmente inesperado."

Ele acrescentou: "Embora este experimento mostre tão diretamente quanto possível que esses objetos realmente existem, não mostra como eles contribuem para a eficiência de uma célula solar. Ainda há mais trabalho a ser feito para entender como esses processos afetam as propriedades desses materiais. "

 

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