Cientistas da Universidade de Groningen e da Universidade Tecnológica de Nanyang demonstraram que, combinando dois materiais, o excesso de energia é utilizado sem desperdício em forma de calor.
Como é sabido, os semicondutores convertem energia dos fótons (luz) em corrente de elétrons. No entanto, alguns fótons carregam muita energia para o material absorver. Esses fótons produzem ‘elétrons quentes’ e o excesso de energia desses elétrons é perdido em calor. Os cientistas de materiais têm procurado maneiras de colher esse excesso de energia. Cientistas da Universidade de Groningen e da Universidade Tecnológica de Nanyang (Cingapura) agora demonstraram que isso pode ser mais fácil do que o esperado combinando uma perovskita com um material aceitador de ‘elétrons quentes’. O resultado da pesquisa foi publicado no Science Advances.
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Nas células fotovoltaicas, os semicondutores absorvem a energia dos fótons, mas apenas dos fótons que possuem a quantidade certa de energia: muito pouco e os fótons passam direto pelo material, em excesso e a energia é perdida como calor. A quantidade certa é determinada pela banda larga: a diferença nos níveis de energia entre o maior orbital molecular ocupado (HOMO) e o menor orbital molecular não ocupado (LUMO).
Nanopartículas
“O excesso de energia dos elétrons quentes, produzido pelos fótons de alta energia, é absorvido muito rapidamente pelo material como calor”, explica Maxim Pshenichnikov, professor de espectroscopia ultrarrápida da Universidade de Groningen. Para capturar completamente a energia dos elétrons quentes devem ser utilizados materiais com maior espaço de banda. No entanto, isso significa que os elétrons quentes devem ser transportados para esse material antes de perder sua energia. A abordagem geral para colher esses elétrons é diminuir a perda de energia, por exemplo, usando nanopartículas em vez de material comum. “Nessas nanopartículas, há menos opções para os elétrons liberarem o excesso de energia como calor”, explica Pshenichnikov.
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Juntamente com colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang, onde ele foi professor visitante nos últimos três anos, Pshenichnikov estudou um sistema no qual um semicondutor híbrido orgânico-inorgânico de perovskita foi combinado com o composto orgânico batofenantrolina (bphen), um material com uma grande banda larga. Os cientistas usaram luz de laser para excitar elétrons na perovskita e estudaram o comportamento dos elétrons quentes que foram gerados.
Barreira
“Usamos um método chamado sondagem por impulso de bomba para excitar elétrons em duas etapas e estudá-los em escalas de tempo de femtossegundos¹”, explica Pshenichnikov. Isso permitiu que os cientistas produzissem elétrons nos perovskitas com níveis de energia logo acima do intervalo de banda do bphen, sem excitar elétrons no bphen. Portanto, quaisquer elétrons quentes neste material teriam vindo da perovskita.
Os resultados mostraram que elétrons quentes do semicondutor perovskita foram prontamente absorvidos pelo bphen. ‘Isso aconteceu sem a necessidade de desacelerar esses elétrons e, além disso, em materiais comuns.’ Portanto, sem outros artifícios, os elétrons quentes foram colhidos. No entanto, os cientistas notaram que a energia necessária era um pouco maior que a banda larga de bphen. ‘Isso foi inesperado. Aparentemente, é necessária alguma energia extra para superar uma barreira na interface entre os dois materiais.’
Apesar disso, o estudo fornece uma prova de conceito para a colheita de elétrons quentes em material semicondutor de perovskita. ‘Os experimentos foram realizados com uma quantidade realista de energia, comparável à luz visível. O próximo desafio é construir um dispositivo real usando essa combinação de materiais’, observa Pshenichnikov.
¹ Corresponde a 10⁻¹⁵ segundos, ou seja, um quadrilionésimo de segundo. O femtossegundo está para um segundo como um segundo está para 100 milhões de anos.
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