Os polarons são distorções fugazes na rede atômica de um material que se formam em torno de um elanãtron em movimento em alguns trilionanãsimos de segundo e depois desaparecem rapidamente. Por mais efaªmeros que sejam, eles afetam o comportamento de um material e podem atéser o motivo pelo qual as células solares feitas com perovskitas ha­bridas de chumbo alcana§am eficiências extraordinariamente altas em laboratório.

Agora, os cientistas do Laborata³rio 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.

"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 hálguns anos”, disse ele. "Mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e como evoluem."

As perovskitas são materiais cristalinos nomeados em homenagem ao mineral perovskita , que possui uma estrutura atômica semelhante. Os cientistas começam a incorpora¡-los a s células solares hácerca 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 difa­ceis de entender, disse Lindenberg. Embora os cientistas as considerem empolgantes porque são eficientes e fa¡ceis de fazer, aumentando a possibilidade de que poderiam tornar as células solares mais baratas do que as células de sila­cio de hoje, elas também são altamente insta¡veis, quebram quando expostas ao ar e contem chumbo que deve ser mantido fora do meio ambiente.

Estudos anteriores no SLAC investigaram a natureza das perovskitas com uma "ca¢mera de elanãtrons" ou com feixes de raios-X. Entre outras coisas, eles revelaram que a luz gira a¡tomos em perovskitas e também mediram a vida útil dos fa´nons acaºsticos - ondas sonoras - que transportam calor atravanãs dos materiais.

Para este estudo, a equipe de Lindenberg usou a Linac Coherent Light Source (LCLS) do laboratório, um poderoso laser de elanãtrons livres de raios-X que pode gerar imagens de materiais em detalhes quase ata´micos e capturar movimentos ata´micos que ocorrem em milionanãsimos de bilionanãsimo de segundo. Eles examinaram os cristais aºnicos 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 a³ptico e então usaram o laser de raios-X para observar como o material respondia ao longo de dezenas de trilionanãsimos de segundo.

"Quando vocêcoloca uma carga em um material atingindo-o com luz, como acontece em uma canãlula solar, os elanãtrons são liberados e esses elanãtrons livres comea§am a se mover ao redor do material", disse Burak Guzelturk, cientista do Laborata³rio Nacional de Argonne do DOE que era um pesquisador de pa³s-doutorado em Stanford na anãpoca dos experimentos.

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

A estrutura ha­brida da rede perovskita éflexa­vel e macia - como "uma estranha combinação de um sãolido e um la­quido ao mesmo tempo", como diz Lindenberg - e éisso que permite que os polarons se formem e cresa§am.

Suas observações revelaram que as distorções polara´nicas comea§am muito pequenas - na escala de alguns angstroms, sobre o espaa§amento entre os a¡tomos em um sãolido - e se expandem rapidamente para fora em todas as direções atéum dia¢metro de cerca de 5 bilionanãsimos de metro, que écerca de 50 aumento de vezes. Isso empurra cerca de 10 camadas de a¡tomos ligeiramente para fora dentro de uma área aproximadamente esfanãrica ao longo de dezenas de picossegundos, ou trilionanãsimos de segundo.

“Esta distorção érealmente muito grande, algo que não conheca­amos antes”, disse Lindenberg. "Isso éalgo 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 canãlula solar. Ainda hámais trabalho a ser feito para entender como esses processos afetam as propriedades desses materiais. "