Uma equipe do CINE utilizou ferramentas computacionais para fazer uma triagem de materiais bidimensionais da família dos metais de transição dicalcogenados (TMDs), identificando os melhores candidatos para uso em células solares de alto desempenho. Dentre 72 materiais inicialmente avaliados, apenas três reuniram todas as condições para essa aplicação.

Totalmente realizado por meio de simulações computacionais, o estudo permitiu fazer um trabalho que demandaria recursos e tempo muito maiores se fosse feito experimentalmente mediante síntese e caracterização dos materiais.

Os metais de transição dicalcogenados formam uma família de materiais que combinam metais de transição (como titânio, tungstênio ou molibdênio) e elementos calcogênios (como enxofre, selênio ou telúrio). Os TMDs, que podem apresentar diversas propriedades, possuem um importante diferencial em comum: podem ser obtidos em forma de finíssimas camadas, de apenas três átomos de espessura. Devido à sua bidimensionalidade e a algumas das suas propriedades elétricas e ópticas, esses materiais despertam interesse para aplicação em células solares.

No trabalho do CINE, os pesquisadores se concentraram em um grupo de TMDs que tinha sido pouco estudado até o momento. Os pesquisadores buscaram predizer se cada um dos materiais do grupo, e as combinações entre os mais promissores, apresentavam características necessárias para a sua aplicação em células solares: estabilidade, comportamento semicondutor, boa absorção da luz solar e boa eficiência na conversão da luz em eletricidade.

Para descrever adequadamente esse conjunto de características de TMDs bidimensionais, os pesquisadores tiveram que desenvolver uma estrutura metodológica que combina três ferramentas computacionais. Além de ser robusta, confiável e fácil de usar, a metodologia envolve custos computacionais relativamente baixos, e poderá ser utilizada em estudos posteriores.

“No estudo descobrimos que, do grupo inicial de 72 materiais, 22 eram estáveis para síntese experimental, e 14 poderiam ser aplicados em células solares. Entretanto, desses 14, apenas composições com 3 desses sistemas forneceriam células solares com rendimento interessante do ponto de vista comercial”, diz Alexandre Cavalheiro Dias, pós-doc no Programa de Ciência Computacional de Materiais e Química do CINE e coautor do trabalho. As 3 composições mais promissoras, que apresentaram cerca de 20% de eficiência na conversão de energia, foram as heterojunções MoTe2/MoSe2, MoSe2/WS2 e MoTe2/WS2.

“Este estudo serve como um referencial para produção de novas células solares, principalmente indicando quais materiais não possuem qualquer aptidão para essa aplicação”, comenta Alexandre, “Na hora de tentar criar de fato a célula solar, o trabalho dará uma direção ao pesquisador experimental sobre quais materiais ele poderia utilizar para criar um dispositivo eficiente”, completa.

O trabalho faz parte do projeto de pós-doutorado de Alexandre, sob supervisão do professor Juarez L. F. Da Silva, que é coordenador do Programa de Ciência Computacional de Materiais e Química no CINE. Os cálculos foram realizados no IQSC-USP e no supercomputador SDumont, do Laboratório Nacional de Computação Científica.

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Referência do artigo científico: Excitonic Effects on Two-Dimensional Transition-metal Dichalcogenide Monolayers: The Impact on the Solar Cell Efficiency. Alexandre Cavalheiro Dias, Helena de Souza Bragança Rocha, João Paulo A. de Mendonça, Juarez L. F. Da Silva. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 3265−3278. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.0c03039.

Autores do artigo que são membros do CINE: Alexandre Cavalheiro Dias (pós-doc, IQSC-USP), Helena de Souza Bragança Rocha (professora da UnB, colaboradora do CINE), João Paulo A. de Mendonça (pós-doc, IQSC-USP) e Juarez L. F. Da Silva (professor do IQSC-USP).