Cristais brilhantes: aproximar os materiais de calcogenetos da sua aplicação prática
Primeira medição experimental da eficiência luminosa das perovskitas de calcogenetos: os materiais emitem luz de forma muito mais eficiente do que se pensava anteriormente
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Os calcogenetos são materiais versáteis que constituem objeto de investigação ativa no âmbito das células solares, fotodetetores e outras aplicações de conversão de luz e energia. Os investigadores do laboratório «Transport at Nanoscale Interfaces» da Empa conseguiram, pela primeira vez, medir com sucesso a eficiência de emissão de luz das perovskitas de calcogenetos, demonstrando que estas são muito mais eficientes na emissão de luz do que se esperava. Os investigadores estão também a explorar propriedades supercondutoras e quânticas promissoras numa forma em agulha do material que, anteriormente, era considerada um subproduto indesejável.
Uma célula solar típica é feita de silício cristalino e converte cerca de 20 por cento da luz solar incidente em energia. Esta é a forma mais comum de fabricar uma célula solar — mas não a única. Outros materiais podem, por exemplo, permitir a criação de células leves e flexíveis, exigir menos energia durante o fabrico ou aumentar a sua eficiência.
As células solares de perovskita são uma alternativa promissora. Na ciência dos materiais, o termo «perovskita» não se refere a um composto químico específico, mas sim a um tipo de estrutura material. Os representantes mais conhecidos são as perovskitas de halogeneto, que são objeto de investigação ativa na Empa e noutros locais e estão a ser comercializadas pela Perovskia Solar, uma spin-off da Empa. No entanto, outros materiais também podem adotar esta estrutura cristalina de perovskita.
Uma estrela em ascensão no mundo das perovskitas são as chamadas perovskitas de calcogenetos. Os calcogenetos são estáveis, consistem em elementos não tóxicos que são abundantes na crosta terrestre e possuem as propriedades óticas e eletrónicas necessárias para células solares e aplicações semelhantes — pelo menos em teoria. Isto porque, até agora, uma das propriedades mais importantes — a eficiência da emissão de luz — não tinha sido demonstrada experimentalmente nestes materiais.
Uma equipa de investigadores da Empa, liderada por Mirjana Dimitrievska, em colaboração com Susan Schorr, do Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie, em Berlim, e outros parceiros, demonstrou agora, pela primeira vez, a eficiência de emissão de luz nas perovskitas de calcogenetos. Os investigadores publicaram os resultados do seu estudo na revista «Advanced Optical Materials».
«Ver» o material
Para extrair a fotoluminescência — a capacidade de «iluminar-se», por assim dizer — do material, os investigadores da Empa analisaram um cristal de sulfureto de bário e zircónio, uma perovskita de calcogeneto, que foi produzido no Centro Helmholtz. Para tal, recorreram a métodos espectroscópicos avançados, uma especialidade do grupo de investigação de Mirjana Dimitrievska. «Demonstrámos que o material apresenta uma fotoluminescência relativamente forte. No entanto, quando é produzido sob a forma de película fina, esta fotoluminescência é fortemente suprimida por defeitos introduzidos durante a síntese e o processamento», explica a investigadora. «Os nossos resultados em cristais únicos, porém, correspondem muito bem à teoria.»
A discrepância entre a teoria e a prática é um aspeto fundamental da ciência dos materiais. «O desenvolvimento de materiais começa normalmente com a teoria», afirma Dimitrievska. «Os cientistas computacionais especializados em materiais utilizam modelos teóricos e cálculos para identificar quais os materiais que podem ser adequados para uma aplicação específica. Estes materiais são depois sintetizados e transformados em componentes protótipos iniciais, como peças de dispositivos tais como células solares ou fotodetetores, para verificar o seu desempenho e se correspondem às expectativas.»
Quando a prática se desvia da teoria, cabe a especialistas em espectroscopia como Dimitrievska determinar o motivo. «Podemos determinar, por exemplo, se o processo de síntese não foi o ideal e o material apresenta demasiados defeitos, ou se o problema reside nas ligações elétricas do protótipo do dispositivo», explica ela. Com base nestas conclusões, tanto a síntese como o processamento do material são aperfeiçoados – até que este esteja pronto para aplicação. Ainda há muito trabalho de desenvolvimento a fazer antes que as perovskitas de calcogeneto possam ser utilizadas na prática. No entanto: «O nosso estudo demonstrou que estes materiais têm um grande potencial e que vale a pena continuar a investigá-los», conclui Dimitrievska.
Um subproduto ganha destaque
As aplicações potenciais podem mudar à medida que o material é desenvolvido. Os materiais para células solares também são de interesse para outras aplicações optoeletrónicas, tais como fotodetetores. E, por vezes, surgem aplicações totalmente inesperadas. Durante a síntese das perovskitas de calcogeneto a partir dos seus elementos constituintes, forma-se um subproduto. Em vez da rede cristalina da perovskita, formam-se minúsculas estruturas em forma de agulha com secção transversal hexagonal. Esta fase, anteriormente indesejável, possui propriedades surpreendentes. As agulhas de calcogeneto polarizam, refratam e conduzem a luz de formas únicas, além de revelarem potencial como supercondutores e como materiais quânticos.
Num projeto apoiado pela Fundação Nacional Suíça para a Ciência (SNSF), no âmbito do seu programa internacional Weave, Dimitrievska e a sua equipa, em colaboração com a Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg, na Alemanha, pretendem agora investigar estas «agulhas quânticas», desenvolver ainda mais a sua síntese, compreender melhor as suas propriedades únicas e integrá-las nos primeiros componentes fotónicos e eletrónicos.
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