Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

No mundo da energia solar, cientistas buscam há muito tempo materiais que possam capturar a luz solar e transformá-la em eletricidade de forma mais eficiente do que os atuais painéis de silício. Durante anos, uma família de materiais conhecidos como perovskitas mostrou grande potencial, mas muitos dos melhores desempenhos contêm chumbo, um metal tóxico que apresenta riscos ambientais e à saúde. Isso impulsionou pesquisadores a procurar alternativas seguras e livres de chumbo que ainda possuam a mesma capacidade de conduzir cargas elétricas. Entre os candidatos mais promissores estão compostos feitos com bismuto, um metal muito menos tóxico. No entanto, simplesmente trocar o chumbo pelo bismuto altera a forma como o material se comporta. Para tornar esses novos materiais úteis, os cientistas devem entender exatamente como a eletricidade se move através deles, como eles absorvem a luz e como suas estruturas cristalinas internas estão arranjadas. O desafio reside no fato de que esses materiais são complexos; seu desempenho depende fortemente dos átomos específicos usados para construí-los e de como as camadas finas do material são fabricadas.

Uma equipe de pesquisadores de universidades da Eslovênia e da Macedônia do Norte estabeleceu o objetivo de investigar duas versões específicas desses materiais à base de bismuto. Eles se concentraram em compostos onde os átomos de bismuto e iodo são pareados com metilamônio ou formamidínio, que são pequenas moléculas orgânicas que atuam como espaçadores estruturais dentro do cristal. Os pesquisadores criaram esses materiais no laboratório, primeiro cultivando-os como cristais sólidos e depois transformando-os em filmes muito finos e uniformes sobre lâminas de vidro, um processo essencial para transformá-los em células solares. Ao examinar cuidadosamente esses filmes, a equipe visava determinar suas propriedades ópticas, como quanta energia é necessária para liberar um elétron, e seu comportamento elétrico, especificamente quão facilmente as cargas podem se mover através do material em diferentes temperaturas.

A equipe começou confirmando que havia criado com sucesso as estruturas químicas corretas. Usando difração de raios X, uma técnica que revela o arranjo de átomos ao rebater raios X em uma amostra, eles verificaram que os cristais formavam os padrões esperados. Eles também observaram os filmes sob microscópios poderosos para verificar a qualidade de sua superfície. As imagens mostraram que ambos os tipos de filmes eram lisos e contínuos, sem grandes lacunas ou rachaduras, o que é crucial para que um dispositivo funcione bem. Uma diferença sutil emergiu: o filme feito com as moléculas de formamidínio parecia ligeiramente mais regular e ordenado na superfície do que o feito com metilamônio, sugerindo que o tamanho e a forma da molécula orgânica influenciam como o cristal se assenta durante a fabricação. A análise química confirmou que a proporção de átomos de bismuto para iodo era exatamente como o previsto, garantindo que os materiais fossem puros e livres de impurezas indesejadas.

Em seguida, os pesquisadores mediram como esses filmes interagem com a luz. Quando a luz atinge um material, ela pode ser absorvida se a luz carregar energia suficiente para empurrar um elétron para um estado onde ele possa se mover e carregar uma corrente. A equipe descobriu que ambos os materiais absorvem luz muito bem, particularmente nas partes azul e verde do espectro visível, conferindo aos filmes uma cor laranja ou vermelho escura distinta. Ao analisar os dados de absorção, eles calcularam o gap de energia, que é a quantidade mínima de energia necessária para liberar um elétron. Eles determinaram que a versão de metilamônio possui um gap de energia de 1,98 elétron-volt, enquanto a versão de formamidínio possui um gap ligeiramente menor de 1,74 elétron-volt. Essa diferença é significativa porque um gap menor permite que o material colha uma gama mais ampla de luz solar. Os dados indicaram que ambos os materiais se comportam como semicondutores indiretos, um tipo específico de comportamento onde o movimento de elétrons envolve uma mudança de momento, tornando o processo um pouco mais complexo do que em semicondutores diretos.

Para entender como a eletricidade realmente viaja através desses filmes, a equipe realizou espectroscopia de impedância, um método que mede como o material resiste ao fluxo de corrente elétrica através de uma ampla gama de frequências e temperaturas. Eles observaram que, conforme a temperatura aumentava, a resistência do material diminuía, um comportamento típico de semicondutores onde o calor ajuda a liberar portadores de carga. As medições revelaram que o movimento da eletricidade não é suave e contínuo, mas ocorre através de um mecanismo de "salto" (hopping). Nesse processo, as cargas saltam de um ponto localizado para outro, superando pequenas barreiras de energia ao longo do caminho. Os pesquisadores calcularam que a energia necessária para esses saltos é de aproximadamente 0,5 elétron-volt para ambos os materiais. Esse valor é superior ao tipicamente visto em perovskitas à base de chumbo, sugerindo que, embora os materiais de bismuto sejam mais seguros, eles atualmente movem as cargas mais lentamente.

O estudo também revelou detalhes sobre de onde vem a resistência dentro do material. Os sinais elétricos indicaram que os limites entre os minúsculos cristais, ou grãos, que compõem o filme são mais resistivos do que os próprios grãos. Isso significa que o caminho de menor resistência é frequentemente bloqueado pelas interfaces onde esses cristais se encontram. Além disso, o relaxamento das cargas elétricas, ou quão rapidamente elas respondem a um campo variável, não seguiu um padrão simples e uniforme. Em vez disso, as cargas exibiram uma dispersão de tempos de resposta, indicando um ambiente interno complexo com muitos tipos diferentes de obstáculos. Apesar desses obstáculos, os pesquisadores confirmaram que os materiais possuem as propriedades fundamentais necessárias para dispositivos optoeletrônicos. Eles concluíram que, embora os filmes à base de bismuto ainda não sejam tão eficientes quanto seus equivalentes à base de chumbo, sua estabilidade e baixa toxicidade os tornam fortes candidatos para o desenvolvimento futuro, especialmente se os cientistas conseguirem encontrar maneiras de melhorar as conexões entre os cristais para permitir que a eletricidade flua mais livremente.