Os pesquisadores de Cambridge aprimoraram os semicondutores de óxido de cobre, alcançando uma melhoria de 70% ao orientar o crescimento do cristal para acelerar o movimento de carga, prometendo avanços em tecnologias de combustíveis sustentáveis.
Os cientistas descobriram um método para sobrecarregar o “motor” da geração sustentável de combustível – dando uma pequena reviravolta aos materiais.
Os pesquisadores, liderados pela Universidade de Cambridge, estão desenvolvendo sistemas de coleta de luz de baixo custo semicondutores que alimentam dispositivos para converter água em combustível de hidrogênio limpo, usando apenas a energia do sol. Esses materiais semicondutores, conhecidos como óxidos de cobre, são baratos, abundantes e não tóxicos, mas seu desempenho não chega nem perto do silício, que domina o mercado de semicondutores.
No entanto, os pesquisadores descobriram que, ao fazer crescer os cristais de óxido de cobre em uma orientação específica, de modo que as cargas elétricas se movam através dos cristais na diagonal, as cargas se movem muito mais rápido e mais longe, melhorando bastante o desempenho. Testes de um coletor de luz de óxido de cobre, ou fotocátodo, baseado nesta técnica de fabricação mostraram uma melhoria de 70% em relação aos fotocátodos de óxido de última geração existentes, ao mesmo tempo que mostraram estabilidade bastante melhorada.
Os pesquisadores dizem que seus resultados, relatados na revista Naturezamostram como os materiais de baixo custo podem ser ajustados para impulsionar a transição dos combustíveis fósseis para combustíveis limpos e sustentáveis que podem ser armazenados e utilizados com a infraestrutura energética existente.
Desafios e potencial em óxido cuproso
O óxido de cobre (I), ou óxido cuproso, tem sido apontado como um substituto potencial barato para o silício há anos, uma vez que é razoavelmente eficaz na captura da luz solar e na sua conversão em carga elétrica. Porém, grande parte dessa carga tende a se perder, limitando o desempenho do material.
“Como outros semicondutores de óxido, o óxido cuproso tem seus desafios intrínsecos”, disse o co-autor Dr. Linfeng Pan, do Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia de Cambridge. “Um desses desafios é a incompatibilidade entre a profundidade da absorção da luz e a distância que as cargas viajam dentro do material, de modo que a maior parte do óxido abaixo da camada superior do material é essencialmente espaço morto.”
“Para a maioria dos materiais de células solares, são os defeitos na superfície do material que causam uma redução no desempenho, mas com esses materiais de óxido, é o contrário: a superfície é bastante fina, mas algo no volume leva a perdas”, disse o professor Sam Stranks, que liderou a pesquisa. “Isso significa que a forma como os cristais são cultivados é vital para o seu desempenho.”
Para desenvolver óxidos cuprosos até o ponto em que possam ser um concorrente confiável para materiais fotovoltaicos estabelecidos, eles precisam ser otimizados para que possam gerar e mover eficientemente cargas elétricas – feitas de um elétron e um ‘buraco’ de elétron com carga positiva – quando a luz solar os atinge.
Impacto e direções futuras
Uma abordagem potencial de otimização são os filmes finos de cristal único – fatias muito finas de material com uma estrutura cristalina altamente ordenada, que são frequentemente usadas em eletrônica. No entanto, a produção destes filmes é normalmente um processo complexo e demorado.
Usando técnicas de deposição de filmes finos, os pesquisadores conseguiram cultivar filmes de óxido cuproso de alta qualidade à pressão ambiente e à temperatura ambiente. Ao controlar com precisão o crescimento e as taxas de fluxo na câmara, eles foram capazes de “mudar” os cristais para uma orientação específica. Então, usando técnicas espectroscópicas de alta resolução temporal, eles foram capazes de observar como a orientação dos cristais afetava a eficiência com que as cargas elétricas se moviam através do material.
“Esses cristais são basicamente cubos, e descobrimos que quando os elétrons se movem através do cubo na diagonal do corpo, em vez de ao longo da face ou borda do cubo, eles se movem uma ordem de magnitude adiante”, disse Pan. “Quanto mais longe os elétrons se movem, melhor será o desempenho.”
“Algo nessa direção diagonal nesses materiais é mágico”, disse Stranks. “Precisamos realizar mais trabalho para entender completamente o porquê e otimizá-lo ainda mais, mas até agora resultou em um enorme salto no desempenho.” Testes de um fotocátodo de óxido cuproso feito usando esta técnica mostraram um aumento no desempenho de mais de 70% em relação aos fotocátodos de óxido eletrodepositado de última geração existentes.
“Além do desempenho aprimorado, descobrimos que a orientação torna os filmes muito mais estáveis, mas fatores além das propriedades de volume podem estar em jogo”, disse Pan.
Os investigadores dizem que ainda é necessária muito mais investigação e desenvolvimento, mas esta e famílias de materiais relacionadas podem ter um papel vital na transição energética.
“Ainda há um longo caminho a percorrer, mas estamos numa trajetória emocionante”, disse Stranks. “Há muita ciência interessante proveniente desses materiais, e é interessante para mim conectar a física desses materiais com seu crescimento, como eles se formam e, em última análise, como eles funcionam.”
Referência: “Alta mobilidade de portadores ao longo da orientação (111) em fotoeletrodos de Cu2O” por Linfeng Pan, Linjie Dai, Oliver J. Burton, Lu Chen, Virgil Andrei, Youcheng Zhang, Dan Ren, Jinshui Cheng, Linxiao Wu, Kyle Frohna, Anna Abfalterer, Terry Chien-Jen Yang, Wenzhe Niu, Meng Xia, Stephan Hofmann, Paul J. Dyson, Erwin Reisner, Henning Sirringhaus, Jingshan Luo, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel e Samuel D. Stranks, 24 de abril de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07273-8
A pesquisa foi uma colaboração com a École Polytechnique Fédérale de Lausanne, a Nankai University e a Uppsala University. A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Swiss National Science Foundation e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Sam Stranks é professor de optoeletrônica no Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia e membro do Clare College, Cambridge.
