Efeito fotoiônico: Luz cria corrente de íons

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/04/2018

Nas células solares, elétrons e lacunas permitem a circulação de uma corrente elétrica. Nesse novo efeito, esse papel é desempenhado por íons iodeto e átomos de iodo.[Imagem: MPI for Solid State Research]

Corrente iônica

Nas células solares comuns, os fótons da luz solar impulsionam elétrons no silício, gerando eletricidade.

Surpreendentemente, a luz pode fazer mais do que isso no material adequado, descobriram Gee Yeong Kim e seus colegas do Instituto Max Planck de Pesquisas do Estado Sólido, na Alemanha.

Em uma perovskita, outro material semicondutor muito promissor para células solares, a luz solar não apenas libera elétrons, ela libera também átomos eletricamente carregados, ou íons, criando uma corrente iônica, como a que existe nos organismos vivos - correntes iônicas têm sido usadas para fabricar nervos eletrônicos e sinapses artificiais, entre várias outras possibilidades.

E esse fotoefeito recém-descoberto - um efeito fotoiônico - é muito grande. A condutividade dos íons aumenta por um fator de 100, ou seja, a condução iônica aumenta em uma magnitude similar à da condutividade eletrônica induzida pelo efeito fotoelétrico nas células solares.

Do ponto de vista das aplicações práticas, esse novo efeito abre o caminho para aplicações eletroquímicas impensáveis até agora, como baterias diretamente carregadas pela luz.

A influência da luz no transporte de íons só era conhecida até agora na biologia - por exemplo, a iluminação é capaz de alterar indiretamente a permeabilidade de uma membrana celular. "O que é surpreendente, no entanto, é o fato de que a condução iônica de sólidos cristalinos pode ser diretamente modificada e em uma magnitude muito grande," disse o professor Joachim Maier.

Efeito fotoiônico

Segundo a equipe, a luz inicialmente libera elétrons, como é normal nas células solares. Os elétrons (cargas negativas) deixam lacunas (cargas positivas) na rede cristalina da perovskita. Essas lacunas neutralizam íons de iodeto, carregados negativamente, dentro do cristal. Como um átomo de iodo sem carga é muito menor do que um íon iodeto, ele ocupa um espaço chamado intersticial, isto é, um espaço livre na rede cristalina no qual o íon iodeto maior não se encaixa. As lacunas resultantes na rede cristalina permitem a condução iônica, da mesma maneira que as lacunas de elétrons permitem a condução de elétrons.

O mecanismo é reversível e não destrói o material, a menos que a perovskita esteja em contato com uma substância que captura o iodo de forma permanente ou quando o iodo escapa para a atmosfera. Ou seja, de quebra a equipe descobriu um mecanismo que causa a degradação das células solares de perovskita - a equipe anunciou que sua descoberta permitirá trabalhar para evitar essa degradação.

Os pesquisadores também estão se concentrando na questão de como esse efeito fotoiônico pode ser explorado tecnicamente: Eles primeiro investirão no armazenamento de energia estimulado por luz, e então procurarão outros materiais que possam ser mais adequados e mais eficientes para essas aplicações.

"A condutividade iônica representa um fenômeno-chave no contexto das pesquisas em energia," disse Maier. "Mas, em muitos aspectos, especialmente quando se trata de exposição à luz, ela permanece uma terra incógnita."

Bibliografia:

Large tunable photoeffect on ion conduction in halide perovskites and implications for photodecomposition
Gee Yeong Kim, Alessandro Senocrate, Tae-Youl Yang, Giuliano Gregori, Michael Grätzel, Joachim Maier
Nature Materials
Vol.: 17, pages445-449
DOI: 10.1038/s41563-018-0038-0