Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Durante a última meia centúria, cientistas têm buscado uma maneira melhor de capturar a energia do sol. Embora os painéis solares tradicionais feitos de silício tenham nos servido bem, pesquisadores buscam constantemente materiais que sejam mais baratos de fabricar, mais fáceis de produzir e capazes de converter a luz solar em eletricidade de forma mais eficiente. Uma família promissora de materiais para essa tarefa é chamada de perovskitas. Estas são cristais com uma estrutura específica e repetitiva que pode ser ajustada para absorver a luz de forma muito eficaz. No entanto, as perovskitas mais famosas utilizadas hoje contêm chumbo, um metal tóxico que apresenta riscos à saúde e ao meio ambiente, e frequentemente se degradam quando expostas à umidade ou ao calor. Para resolver isso, cientistas estão explorando um tipo diferente de perovskita feita de elementos que são abundantes e não tóxicos, procurando especificamente por compostos que misturam oxigênio com enxofre. O objetivo é encontrar um material que seja estável, seguro e que tenha a capacidade exata de absorver a luz para alimentar a próxima geração de células solares.

Em um estudo recente, pesquisadores da Universidade Autônoma de Zacatecas, no México, propuseram-se a criar e testar um desses novos materiais, um cristal chamado oxissulfeto de bário e titânio. Eles começaram com um pó comum e estável conhecido como óxido de bário e titânio e o submeteram a um tratamento de alta temperatura em um forno especial. Em vez de apenas aquecer o pó, eles introduziram um vapor de dissulfeto de carbono, um produto químico que atua como uma fonte de enxofre. Ao aquecer a mistura a três temperaturas diferentes — 600, 700 e 800 graus Celsius — eles visavam substituir alguns dos átomos de oxigênio no cristal por átomos de enxofre. Os pesquisadores queriam ver como a mudança de calor alteraria a estrutura interna do material e sua capacidade de absorver a luz, esperando encontrar o equilíbrio perfeito para aplicações de energia solar.

Os resultados mostraram que a temperatura foi a chave para controlar a composição do material. À medida que o calor aumentava, a quantidade de enxofre no cristal final crescia significativamente. Na temperatura mais baixa de 600 graus Celsius, o material continha cerca de 14,6 por cento de enxofre por massa. Quando a temperatura foi elevada para 700 graus, o conteúdo de enxofre subiu para 18,2 por cento e, na temperatura mais alta de 800 graus, atingiu 20,2 por cento. Essa mudança não foi apenas uma questão de adicionar mais enxofre; ela alterou fundamentalmente a própria forma do cristal. O material inicial possuía uma estrutura tetragonal, que é um arranjo geométrico específico de átomos. À medida que o enxofre substituía o oxigênio, o cristal transformava-se lentamente em uma estrutura hexagonal, uma forma geométrica diferente que é mais estável para este tipo de composto. As amostras tratadas nas temperaturas mais altas foram as mais bem-sucedidas, apresentando uma estrutura hexagonal limpa e bem ordenada, sem quaisquer vestígios da forma original.

Além de mudar a forma, o tratamento térmico melhorou a qualidade dos cristais. Os pesquisadores mediram o tamanho dos minúsculos cristais individuais, conhecidos como cristalitos, e descobriram que eles cresciam maiores conforme a temperatura aumentava. A amostra produzida a 600 graus tinha cristais menores e menos organizados, enquanto a de 800 graus tinha cristais maiores e mais perfeitamente formados. Isso sugere que o calor mais alto ajuda os átomos a se organizarem de forma mais nítida, reduzindo o estresse interno e criando um material mais forte e uniforme. A equipe também analisou as ligações químicas dentro do material usando técnicas baseadas em luz e confirmou que os átomos de enxofre e oxigênio foram integrados com sucesso na rede cristalina, formando as ligações moleculares específicas que procuravam.

A descoberta mais crítica, entretanto, diz respeito a como o material interage com a luz. Para que uma célula solar funcione eficientemente, o material do qual é feita deve ter um "band gap" (lacuna de banda), que é a quantidade específica de energia necessária para desprender um elétron e criar uma corrente elétrica. Se esse intervalo for muito largo, o material perde grande parte da energia do sol; se for muito estreito, ele desperdiça energia como calor. A faixa ideal para células solares é uma janela estreita entre 1,1 e 1,7 elétron-volts. Os pesquisadores descobriram que, simplesmente aumentando a temperatura e o conteúdo de enxofre, podiam ajustar precisamente este band gap. O material produzido a 600 graus tinha um band gap de 1,53 elétron-volts. À medida que aumentavam o calor para 700 e depois para 800 graus, o band gap estreitava para 1,51 e, finalmente, para 1,47 elétron-volts. Este valor final situa-se exatamente na faixa ideal para a conversão de energia solar.

Este estudo demonstra que é possível projetar um novo material solar não tóxico controlando cuidadosamente a temperatura durante a síntese. Os pesquisadores provaram que poderiam transformar um óxido comum em uma perovskita rica em enxofre com uma estrutura cristalina e propriedades de absorção de luz que são altamente adequadas para células solares. Embora o material ainda não seja um produto acabado pronto para o chão de fábrica, o trabalho fornece um roteiro claro de como criar esses cristais. Ao mostrar que temperaturas mais altas levam a mais enxofre, melhor ordem cristalina e um band gap perfeitamente ajustado para capturar a luz solar, o estudo oferece um caminho viável para o desenvolvimento da próxima geração de tecnologia de energia solar limpa, eficiente e segura.