Um dos principais entraves para a produção de células solares de perovskitas com fins comerciais é a presença de chumbo, elemento tóxico, na sua composição. Outra limitação é a instabilidade desses materiais, que faz com que seu bom desempenho não se mantenha ao longo do tempo. Todavia, existem caminhos que podem ser seguidos para resolver ambos os problemas, como o uso de perovskitas de baixa dimensionalidade. Nessas estruturas, torna-se relativamente fácil substituir chumbo por bismuto (um elemento com propriedades semelhantes ao chumbo, porém não tóxico). Além disso, elas apresentam maior estabilidade do que seus parentes de maiores dimensões. Pensando nessa possibilidade, pesquisadores do CINE uniram esforços experimentais e teóricos para estudar perovskitas de bismuto com a menor dimensionalidade possível, a dimensão zero (0D).

O termo “perovskitas” designa uma família de materiais com diferentes composições e o mesmo arranjo de cátions e ânions, formando octaedros que se unem entre si em redes. A “zero dimensionalidade” se refere ao fato de que essas redes não têm possibilidade de se estender infinitamente em nenhuma direção. Trocando em miúdos, são estruturas de escala nanométrica na altura, largura e profundidade.

O trabalho reuniu competências e infraestrutura do programa de Ciência Computacional de Materiais e Química, com ampla experiência em métodos computacionais, e da Divisão de Portadores Densos de Energia, que tem expertise em pesquisa sobre perovskitas para células solares. A sinergia entre os dados teóricos e experimentais permitiu compreender as propriedades estruturais e optoeletrônicas de três novas perovskitas de bismuto 0D, e, dessa maneira, propor aplicações para elas. No campo da energia, o estudo apontou potencial de aplicação destas perovskitas como dielétricos para capacitores e como fontes de bismuto na preparação de perovskitas sem chumbo. Outra possibilidade levantada foi a sua combinação com perovskitas de outras dimensões, para aumentar a resistência do material à radiação UV e umidade, prolongando sua estabilidade.

O trabalho experimental foi realizado no Instituto de Química da UNICAMP e envolveu o então pós-doc Willian Xerxes Coelho Oliveira e sua supervisora, a professora Ana Flávia Nogueira, na síntese e caracterização das perovskitas. “Foi desafiador encontrar as condições para formar monocristais e obter filmes transparentes”, conta Willian, que explica que foi necessário sintetizar monocristais dessas perovksitas para poder entender como os átomos e moléculas estão organizados nestes novos materiais. Sobre os filmes, produzidos para estudar as propriedades do material, Willian conta que a maior dificuldade foi obter um nível elevado de transparência para poder analisar suas propriedades ópticas. “Isso demandou muitos testes e a chamada engenharia de solventes”, conta.

Os estudos computacionais, baseados na teoria do funcional da densidade, foram realizados no Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP) pela doutoranda Mailde da Silva Ozorio, com participação do pós-doc Julian F. R. V. Silveira e orientação do professor Juarez L. F. Da Silva. Os autores também utilizaram recursos do supercomputador SDumont do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC),  o qual foi essencial para acelerar várias das simulações. Vários desafios foram enfrentados ao longo do projeto, em particular, a discrepância entre os dados teóricos e experimentais para um dos compostos, a qual somente foi resolvida após entender o papel das moléculas de água existentes na estrutura cristalina. 

O artigo que reporta esta pesquisa foi publicado em 3 de novembro na revista científica Materials Advances, da Royal Society of Chemistry e está disponível na modalidade de acesso aberto em https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ma/d0ma00791a#!divAbstract.

Referência: Novel Zero-dimensional Lead-free Bismuth Based Perovskites: From Synthesis to Structural and Optoelectronic Characterization. Mailde S. Ozorio,y Willian X. C. Oliveira,z Julian F. R. V. Silveira, Ana Flavia Nogueira, and Juarez L. F. Da Silva. Mater. Adv., 2020, Advance Article. https://doi.org/10.1039/D0MA00791A