Polarons são fenômenos importantes em graduação nanométrica: uma guisa transitória entre elétrons e átomos (conhecida porquê quasipartículas) que existem somente por trilhões de segundos.

Essas configurações têm características únicas que podem nos ajudar a compreender alguns dos comportamentos misteriosos dos materiais que formam, e os cientistas acabaram de observá-los pela primeira vez.

Polarons foram medidos em perovskitas híbridas de chumbo, materiais de células solares de próxima geração que eles prometem aumentar taxas de conversão além dos painéis de silício que são usados ​​principalmente hoje. Os cientistas esperam que as observações do polaron nos ajudem a explicar exatamente porquê as perovskitas convertem tão muito a luz do sol em eletricidade.

Para encontrar os polarons, os cientistas treinaram luz em cristais simples de perovskitas híbridas de chumbo, observando com um gigante laser de elétrons sem raios-X chamado nascente de luz harmónico Linac (LCLS): capaz de imaginar materiais nas menores escalas no menor tempo, até trilhões de segundos (ou picossegons)

(Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Na segmento superior: ilustração de polarons em perovskita híbrida de chumbo.

“Quando uma trouxa é colocada em um material, atingindo-o com luz, porquê acontece em uma célula solar, os elétrons são liberados e esses elétrons livres começam a se movimentar através do material.” diz o físico Burak Guzelturk do Laboratório pátrio de Aronne, chefiado pelo Departamento de vontade dos EUA.

“Eles logo são cercados e cercados por uma família de bolha de distorção lugar (o polaron) que viaja com eles. Algumas pessoas argumentaram que essa bolha protege os elétrons da dissipação de defeitos no material e ajuda a explicar por que eles viajam tão eficiente no contato da célula solar para fluir quanto a eletricidade ”.

Tão promissores quanto os perovskitas quanto o material do pintura solar, não está totalmente evidente por quê: eles têm muitos defeitos que deveriam limitar o fluxo de fluente através deles e são notavelmente frágeis e instáveis. Polarons podem oferecer algumas respostas.

Esses polarons são essencialmente breves distorções da estrutura da rede atômica do material e foram mostrados para movimentar muro de 10 camadas de átomos para fora. A distorção aumentou o espaçamento dos átomos circundantes muro de 50 vezes (até 5 bilhões de partes por metro) por dezenas de segundos.

As pequenas distorções ou bolhas eram maiores do que os cientistas esperavam, deixando-se movimentar pela estrutura atômica maleável e lisa da perovskita híbrida. O material se comporta de alguma forma porquê um sólido e um líquido ao mesmo tempo.

“Esses materiais tomaram de assalto o campo da pesquisa de vontade solar por desculpa de sua subida eficiência e insignificante dispêndio, mas as pessoas ainda estão debatendo por que funcionam,” diz o investigador de materiais Aaron Lindenberg da Universidade de Stanford.

“A teoria de que os ursos polares podem estar envolvidos já existe há vários anos, mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e porquê evoluem.”

Enquanto os perovskitas são já usado na produção de vontade solar, muitas vezes em combinação com silício, não estão isentos de seus desafios, embora os tenhamos visto importantes ganhos de eficiência a partir desses materiais, eles devem ser capazes de fazer ainda mais.

Ao longo dos anos, os cientistas continuam a fazê-lo superar obstáculos que mantiveram a eficiência dos painéis solares mais baixa do que deveriam ser, e com nossa sujeição de fazendas solares em subida, melhorias de somente alguns pontos percentuais podem fazer uma grande diferença.

No entanto, os pesquisadores por trás da invenção do polaron querem enfatizar que ainda não responderam a todas as questões em torno dessas quasipartículas e que há muito mais para saber sobre seus impactos nas perovskitas e outros materiais.

“Embora este experimento demonstre tão diretamente quanto provável que esses objetos realmente existem, ele não mostra porquê eles contribuem para a eficiência de uma célula solar.” diz Lindenberg. “Ainda há mais trabalho a ser feito para entender porquê esses processos afetam as propriedades desses materiais.”

A pesquisa foi publicada em Materiais da natureza.

Este item foi reescrito, traduzido de uma publicação em inglês. Clique cá para acessar a material original (em inglês)!