Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

A busca por energia limpa tem se concentrado há muito tempo em materiais que possam capturar a luz solar e transformá-la em eletricidade com uma eficiência notável. Entre os candidatos mais promissores estão uma família de cristais conhecidos como perovskitas, que recentemente revolucionaram o campo da energia solar. Esses materiais são construídos a partir de um arranjo específico de átomos que permite que eles absorvam a luz intensamente e movam cargas elétricas rapidamente. Durante anos, a versão mais eficaz desses cristais dependeu do chumbo, um elemento que os faz desempenhar excepcionalmente bem, mas que também introduz um problema séoso: o chumbo é tóxico. Ele representa riscos significativos para a saúde humana e o meio ambiente, afetando o sistema nervoso e os órgãos, e pode se acumular no solo e na água. Isso cria um dilema difícil para os cientistas: como manter o alto desempenho desses materiais solares mantendo a remoção do elemento perigoso que os torna perigosos.

Em um estudo publicado em agosto de 2026, os pesquisadores Hasan Abbas e Zishan H. Khan, da Jamia Millia Islamia, na Índia, enfrentaram esse desafio comparando o cristal padrão à base de chumbo com uma nova alternativa livre de chumbo. Eles se propuseram a criar dois materiais específicos em laboratório: o conhecido iodeto de metilamônio e chumbo, que contém chumbo, e um novo composto chamado iodeto de metilamônio e bismuto, que substitui o chumbo pelo bismuto, um elemento muito mais seguro. A equipe não apenas misturou produtos químicos; eles cultivaram cuidadosamente filmes finos desses materiais sobre placas de vidro e, em seguida, submeteram-nos a uma bateria de testes para ver como eram construídos e como interagiam com a luz. O objetivo deles era entender se a versão de bismuto mais segura poderia igualar a qualidade estrutural e as habilidades de absorção de luz da versão de chumbo, ou se ficaria aquém em aspectos que impediriam seu uso em painéis solares reais.

Os pesquisadores começaram sintetizando ambos os materiais usando um método de solução líquida, um processo que envolve dissolver os ingredientes brutos em um solvente e depois secá-los para formar um filme sólido. Uma vez criados os filmes, eles os examinaram sob microscópios poderosos para ver como eram em uma escala minúscula. As imagens revelaram que o filme de bismuto livre de chumbo era excepcionalmente liso e denso, carecendo dos pequenos buracos ou lacunas que às vezes aparecem na versão à base de chumbo. Os cristais de bismuto também formaram estruturas ligeiramente maiores do que seus equivalentes de chumbo. Quando a equipe observou o arranjo interno dos átomos usando difração de raios X, uma técnica que revela a estrutura cristalina, descobriram que o material de bismuto era, na verdade, mais ordenado e uniforme do que o material de chumbo. Esse maior grau de ordem sugeriu que o filme livre de chumbo era de altíssima qualidade, potencialmente até melhor em termos de sua estrutura física do que a tradicional versão de chumbo.

Em seguida, a equipe voltou sua atenção para como esses materiais lidavam com a luz, o que é o fator mais crítico para uma célula solar. Eles incidiram luz através de uma ampla gama de cores, do ultravioleta ao infravermelho, para ver quanta luz era absorvida e quanta passava. Os resultados mostraram que ambos os materiais eram excelentes em capturar a luz, mas o faziam de maneiras ligeiramente diferentes. O material à base de chumbo absorvia a luz com mais força em um comprimento de onda de 760 nanômetros, enquanto o material de bismuto atingia o pico em 530 nanômetros. A versão de chumbo era capaz de absorver uma gama mais ampla do espectro visível, o que é uma vantagem fundamental para gerar eletricidade. Os pesquisadores também calcularam como a luz viajava através dos materiais e descobriram que o filme livre de chumbo era mais uniforme, com menos imperfeições que poderiam dispersar a luz. Essa uniformidade, combinada com a superfície lisa vista nas imagens de microscopia, indicou que o material de bismuto possuía uma estrutura interna muito consistente.

Talvez a descoberta mais significativa tenha sido relativa ao gap de energia, ou a quantidade específica de energia necessária para liberar um elétron para que ele possa carregar uma corrente. O material à base de chumbo tinha um gap de energia de 1,65 elétron-volts, um valor que está muito próximo do ideal teórico para uma célula solar de camada única. Essa correspondência quase perfeita explica por que as perovskitas à base de chumbo têm sido tão bem-sucedidas em converter a luz solar em energia. Em contraste, o material de bismuto livre de chumbo tinha um gap de energia mais largo de 2,23 elétron-volts. Embora este valor ainda seja útil, significa que o material absorve uma parte diferente do espectro solar e é menos eficiente em capturar toda a gama de luz solar em comparação com a versão de chumbo. O estudo também observou como os materiais emitiam luz após absorvê-la, um processo chamado fotoluminescência. O material de chumbo brilhava em um comprimento de onda de 760 nanômetros, enquanto o material de bismuto brilhava em 590 nanômetros, confirmando as diferenças em seus gaps de energia.

Em última análise, o estudo pinta um quadro de dois materiais com forças distintas. A perovskita de bismuto livre de chumbo provou ser estruturalmente superior em muitos aspectos, formando um filme mais liso e uniforme com menos defeitos do que a versão de chumbo. Ela também é livre da toxicidade que torna o chumbo tão perigoso. No entanto, o material à base de chumbo retém uma vantagem crucial: seu gap de energia é mais próximo do ideal para a energia solar, permitindo colher mais energia da luz solar. Os pesquisadores concluíram que, embora a opção livre de chumbo mostre grande potencial e ofereça melhores propriedades morfológicas, ela ainda precisa de mais otimização para igualar a eficiência de sua rival à base de chumbo. O trabalho sugere que o caminho a seguir envolve o refinamento desses materiais mais seguros, talvez ajustando sua composição, para trazer seu desempenho mais próximo dos altos padrões estabelecidos pelos cristais de chumbo, que são tóxicos, mas altamente eficientes.