Controlando redes cristalinas de materiais híbridos de células solares com luz Terahertz

May 27, 2023

O Instituto Fritz Haber da Max Planck Society, abreviadamente FHI, é um local de pesquisa internacional onde cientistas de todo o mundo investigam os princípios básicos subjacentes ao...

Para superar os desafios globais de energia e combater a crise ambiental iminente, pesquisadores de todo o mundo investigam novos materiais para converter luz solar em eletricidade. Alguns dos candidatos mais promissores para aplicações de células solares de baixo custo e alta eficiência são baseados em semicondutores de perovskita de haleto de chumbo (LHP). Apesar dos recordes de protótipos de células solares, a origem microscópica do desempenho optoeletrônico surpreendentemente excelente dessa classe de material ainda não é completamente compreendida. Agora, uma equipe internacional de físicos e químicos do Fritz Haber Institute da Max Planck Society, da École Polytechnique em Paris, da Columbia University em Nova York e da Free University em Berlimdemonstrou controle acionado por laser de movimentos fundamentais da rede atômica do LHP. Ao aplicar um pico repentino de campo elétrico mais rápido do que um trilionésimo de segundo (picossegundo) na forma de um único ciclo de luz de radiação Terahertz no infravermelho distante, os pesquisadores revelaram a resposta ultrarrápida da rede, que pode contribuir para um mecanismo de proteção dinâmico para eletricidade cobranças. Esse controle preciso sobre os movimentos de torção atômica permitirá criar novas propriedades de materiais fora do equilíbrio, potencialmente fornecendo dicas para projetar o material da célula solar do futuro.

Os materiais híbridos de células solares LHP investigados consistem em uma rede cristalina inorgânica, que atua como gaiolas periódicas para hospedar moléculas orgânicas. A interação de cargas eletrônicas livres com essa estrutura híbrida e suas impurezas determina quanta eletricidade pode ser extraída da energia da luz solar. Entender essa complicada interação pode ser a chave para uma compreensão microscópica do excelente desempenho optoeletrônico dos LHPs. Pesquisadores do Fritz Haber Institute em Berlim e seus colegas internacionais conseguiram agora isolar a resposta da rede a um campo elétrico em escalas de tempo superiores a 100 femtossegundos, ou seja, um décimo de trilionésimo de segundo. O campo elétrico foi aplicado por um intenso pulso de laser contendo apenas um único ciclo de infravermelho distante, chamado Terahertz (THz), luz. “Este campo THz é tão forte e tão rápido que pode imitar o campo elétrico local de um portador de carga excitado imediatamente após a absorção de um quantum de luz solar”, explica Maximilian Frenzel, um dos principais autores dos experimentos.

Por essa abordagem, os investigadores observam um movimento coordenado da rede cristalina, consistindo principalmente na inclinação para frente e para trás dos blocos de construção octaédricos da gaiola inorgânica. Essas vibrações não linearmente excitadas podem levar a - até agora negligenciados - efeitos de triagem de ordem superior, contribuindo para um mecanismo de proteção de portadores de carga frequentemente discutido. "Além disso, o ângulo de inclinação relacionado desempenha um papel dominante na determinação das propriedades fundamentais do material, como a fase cristalográfica ou bandgap eletrônico", esclarece o Dr. Sebastian Maehrlein, líder do projeto de pesquisa internacional. Assim, em vez do ajuste químico estático das propriedades do material, o design de material dinâmico ultrarrápido entra em ação: "Como agora podemos modular esses ângulos de torção por um único ciclo de luz de THz", resume Maehrlein, "no futuro poderemos controlar as propriedades do material sob demanda ou até mesmo descobrir novos estados exóticos dessa classe material emergente." Ao avaliar esses estados dinâmicos da matéria, os pesquisadores esperam contribuir com algumas dicas para projetar os materiais energéticos do futuro.

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site Fritz Haber Institute of the Max Planck Society