Artigo em destaque: Modelo cinético para células solares orgânicas mais eficientes.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Kinetic model for photoluminescence quenching by selective excitation of D/A blends: implications for charge separation in fullerene and non-fullerene organic solar cells. L. Benatto, M. de Jesus Bassi, L. C. Wouk de Menezes, L. S. Roman and  M. Koehler. J. Mater. Chem. C, 2020,8, 8755-8769.

 Modelo cinético para células solares orgânicas mais eficientes 

Contracapa do J. Mater. Chem. C, destacando a pesquisa da equipe da UFPR.
Contracapa do J. Mater. Chem. C, destacando a pesquisa da equipe da UFPR.

Diferentemente de outras células solares que estão no mercado há mais tempo, como as de silício, as orgânicas são finas, leves, flexíveis e semitransparentes. Com essas características, elas se tornam muito atrativas para segmentos específicos. No Brasil, por exemplo, que conta com produção nacional, podem ser encontradas em prédios empresariais algumas das maiores superfícies instaladas do mundo, além de instalações em alguns shopping centers, caminhões e pontos de ônibus.

Embora as versões orgânicas das células solares também ofereçam vantagens na produção em grande escala (processos industriais mais simples e com menor pegada de carbono, como o roll to roll), a conquista de mercados amplos depende, em grande parte, de continuar a melhorar a sua eficiência na conversão de luz solar em energia elétrica. Para superar esse desafio, o desenvolvimento de materiais com propriedades adequadas e a combinação dos diferentes materiais dentro do dispositivo são essenciais.

Uma equipe científica da Universidade Federal do Paraná (UFPR) dedicou-se a estudar em detalhe, usando ferramentas experimentais e teóricas, o mecanismo de geração de cargas elétricas em células solares orgânicas – um processo complexo que ainda não é compreendido na sua totalidade. Na prática, os resultados deste trabalho auxiliam na escolha de quais materiais devem ser usados e como eles devem ser sintetizados, de modo que suas propriedades potencializem a eficiência da conversão de luz em eletricidade. A pesquisa foi reportada em artigo do Journal of Materials Chemistry C (fator de impacto 7,059), onde recebeu destaque em contracapa.

Desvendando a dissociação do éxciton

No sanduíche de camadas que forma as células solares, a camada ativa (responsável por absorver a luz e gerar as cargas elétricas) é composta por materiais semicondutores, os quais, no caso dos dispositivos orgânicos, são polímeros ou outras moléculas baseadas em carbono. Ao ser excitados pela luz, estes materiais não geram cargas elétricas livres, como acontece nos semicondutores inorgânicos. Eles geram éxcitons, que são pares elétron – buraco ligados por forças de atração entre a carga negativa do primeiro e a positiva do segundo.

Para gerar as cargas livres, que formam a corrente elétrica, é preciso quebrar essa ligação, num fenômeno chamado de dissociação do éxciton. Uma das formas de consegui-lo é criar, na camada ativa, uma interface entre um material doador de elétrons e outro aceitador de elétrons. “Dependendo da combinação desses dois materiais, o processo de dissociação dos éxcitons pode ocorrer em uma escala de tempo muito baixa, resultando numa geração de carga mais eficiente”, explica Leandro Benatto, autor correspondente do paper. “No entanto, esse processo ainda não é bem compreendido”, completa.

O trabalho de Leandro e os outros autores concentrou-se, justamente, em tentar compreender a dissociação do éxciton e a geração de cargas livres na interface entre o material doador e o aceitador. A equipe realizou experimentos de fotoluminescência usualmente utilizados para dimensionar a eficiência na geração de cargas livres em sistemas desse tipo e desenvolveu um modelo matemático que simula o processo. Os resultados experimentais e os teóricos foram muito similares, comprovando a precisão do modelo. “Desenvolvemos um modelo que simula a cinética do processo, englobando diversas etapas da dissociação dos éxcitons e considerando as principais características da interface”, diz ele. “A partir do modelo cinético foi possível reproduzir muito bem os resultados experimentais e observar de forma mais clara os principais fatores que influenciam a eficiência do processo de geração de cargas livres em interfaces doador/aceitador”, completa.

Fulerenos x não fulerenos

O trabalho que gerou o artigo foi coordenado por dois professores do Departamento de Física da UFPR, Marlus Koehler e Lucimara Stolz Roman, que possuem uma parceria de longa data no estudo teórico – experimental de células solares orgânicas. “A parte teórica começou a ser desenvolvida em 2019, no final do meu doutorado em Física pela UFPR sob orientação do professor Marlus, e continuou no meu pós-doutorado no Laboratório de Dispositivos Nanoestruturados (DINE) sob coordenação da professora Lucimara” conta Leandro. Também participaram da pesquisa Maiara de Jesus Bassi, doutoranda em Física no grupo da professora Lucimara, e Luana Cristina Wouk, doutora em Física que também foi orientanda da professora Lucimara, e atualmente trabalha no centro privado de pesquisa aplicada CSEM Brasil, o que auxiliou a contextualizar o problema no cenário de desenvolvimento em larga escala.

A ideia inicial do trabalho foi entender a diferença entre dois tipos de moléculas aceitadoras de elétrons: as derivadas de fulereno (um alótropo do carbono), que têm excelente desempenho na coleta e transporte de elétrons mas possuem um limitado espectro de absorção luminosa, e compostos não derivados de fulerenos, cujas propriedades de coleta e transporte têm sido otimizadas nos últimos anos. “Esse é um tema muito interessante visto que, recentemente, a eficiência das células solares orgânicas baseadas em não fulerenos superou a das baseadas em fulerenos, apesar de que, alguns anos atrás, não se imaginava que os fulerenos seriam superados”, relata Leandro. Atualmente, células solares orgânicas de não fulerenos produzidas em laboratório alcançaram a eficiência de 18%”, completa.

Esta pesquisa recebeu financiamento das agências brasileiras Capes, CNPq e FAPEMIG, do INCT–Nanocarbono e da COPEL (Companhia Paranaense de Energia).

Os autores do artigo. A partir da esquerda: Leandro Benatto, Maiara de Jesus Bassi, Luana Cristina Wouk, Lucimara Stolz Roman e Marlus Koehler.
Os autores do artigo. A partir da esquerda: Leandro Benatto, Maiara de Jesus Bassi, Luana Cristina Wouk, Lucimara Stolz Roman e Marlus Koehler.

Boletim da SBPMat – edição 41.


 

Saudações %primeiro_nome%!

Edição nº 41 – 29 de janeiro de 2016 

Notícias da SBPMat: XV Encontro - Campinas (SP), 25-29/09/2016 

Simpósios: A organização do evento está recebendo, até o dia 03/02, propostas de simpósios em temas de Ciência e Tecnologia de Materiais. A submissão de propostas é aberta à comunidade científica. Saiba mais.

Local do evento: Veja, no site no evento, o vídeo sobre a cidade de Campinas e o folder sobre o centro de convenções Expo D. Pedro. 

Organizadores: Coordenam esta edição do evento as professoras da Unicamp Ana Flávia Nogueira (Instituto de Química) e Mônica Alonso Cotta (Instituto de Física “Gleb Wataghin”). Saiba quem são os membros da comissão local, aqui.

Artigo em destaque 

O desempenho de células solares orgânicas, dispositivos capazes de gerar eletricidade a partir da luz do sol, pode ser analisado de maneira mais precisa a partir de um estudo totalmente desenvolvido no Instituto de Física de São Carlos, da USP. O trabalho incluiu uma série de experimentos e a elaboração de um modelo analítico, e gerou um artigo publicado no periódico Solar Energy Materials and Solar CellsVeja nossa matéria de divulgação.

Gente da nossa comunidade 
Entrevistamos Osvaldo Novais de Oliveira Junior, professor da USP no Instituto de Física de São Carlos, que assume hoje a presidência da SBPMat. Conversamos com ele sobre sua história, carreira e planos para a SBPMat. Osvaldo Novais não pertence ao grupo de pessoas que descobre cedo uma vocação profissional, mas isso não o impediu de desenvolver uma carreira científica com ótimos resultados, como um índice H de 53. Apaixonado pelo conhecimento, ele fez contribuições importantes na área de Materiais, em particular no estudo e aplicação de filmes de Langmuir e no desenvolvimento de línguas eletrônicas, além de participar da criação do primeiro software para revisão gramatical do português e de estudar e divulgar como escrever bons papers em inglês. Em uma mensagem aos mais jovens, o cientista frisou a importância do domínio das linguagens (português, inglês, matemática) como base para uma aprendizagem contínua. Veja nossa entrevista.
Edgar D. Zanotto e Victor C. Pandolfelli, ambos professores titulares do Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar, receberam homenagem especial do Magnífico Reitor, professor Targino de Araújo Filho, na cerimônia de encerramento das festividades dos 45 anos da UFSCar. Saiba mais.
Dicas de leitura
  • Foi fabricado pela primeira vez o borofeno: material bidimensional metálico, condutor, feito de átomos de boro (divulgação de artigo da Science). Aqui.
  • Estranho, mas real: estruturas que se expandem volumetricamente tanto ao ser esticadas quando ao ser comprimidas (divulgação de artigo da Nature Materials, seçao “News and views”, coassinado por pesquisador da Unicamp). Aqui.
  • Materiais para saúde: respondendo ao estímulo de luz UV, cápsulas de hidrogel podem liberar RNA sob medida (divulgação de artigo da Advanced Healthcare Materials). Aqui.
Oportunidades
  • Concurso para professor do Departamento de Química Orgânica do Instituto de Química da Unicamp (SP). Aqui.
  • Seleção de professor no Departamento de Física da PUC-Rio (RJ). Aqui.
  • Concurso para professor em várias áreas de Engenharia na Universidade Federal de Lavras (MG). Aqui.
  • Concurso para professor do IQ – Unicamp (área de Ensino de Química): inscrições prorrogadas. Aqui.
  • Concursos para docentes em Engenharia de Materiais na UFABC (SP). Aqui.
  • Postdoctoral fellowship in confocal microscopy and cell membrane modelsAqui.
  • Processo de seleção para mestrado e doutorado em Química do PGQu – IQ – UFRJ. Aqui.
  • Processo de seleção para o doutorado em Ciências Exatas (Materiais) da UFG-Catalão. Aqui.
Próximos eventos da área
  • 5th International Conference on Surface Metrology. Póznan (Polônia). 4 a 7 de abril de 2016.  Site.
  • 9th Brazilian-German Workshop on Applied Surface Science. Maresias, SP (Brasil). 10 a 15 de abril de 2016. Site.
  • 43rd International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF). San Diego (EUA). 25 a 29 de abril de 2016. Site.
  • 40th WOCSDICE ‐ Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits held in Europe & 13th EXMATEC ‐ Expert Evaluation and Control of Compound Semiconductor Materials and Technologies. Aveiro (Portugal). 6 a 10 de junho de 2016. Site.
  • Photonic Colloidal Nanostructures: Synthesis, Properties, and Applications (PCNSPA Conference 2016). São Petersburgo (Rússia). 27 de junho a 1 de julho de 2016.  Site.
  • XXV International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS2016). Fortaleza, CE (Brasil). 14 a 19 de agosto de 2016.  Site.
  • XV Encontro da SBPMat. Campinas, SP (Brasil). 25 a 29 de setembro de 2016. Site.
  • Aerospace Technology 2016. Estocolomo, Suécia. 11 a 12 de outubro de 2016. Site.
      
Você pode divulgar novidades, oportunidades, eventos ou dicas de leitura da área de Materiais, e sugerir papers, pessoas e temas para as seções do boletim. Escreva para comunicacao@sbpmat.org.br.
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Vaga para pós-doutorado em materiais poliméricos.


Vaga para pós-doutorado na área de materiais poliméricos para OLEDs/Células Solares Orgânicas, com bolsa Capes no valor de R$ 3.700,00. O candidato deve ter defendido o doutorado há, no máximo, 5 anos.

Mais informações, com a Profa. Dra. Wang, pelo e-mail wangshui@usp.br ou telefone (11) 3091-5694.

Laboratório de Engenharia de Macromoléculas, Eng. de Materiais da POLI/USP.