O Laboratório de Pesquisas Fotovoltaicas possui basicamente três linhas de pesquisas: conversão fotovoltaica (dispositivos que transformam energia luminosa em energia elétrica, como os painéis solares), fotônica (utilização da luz para transmissão de informação, como nos dispositivos usados nas comunicações ópticas) e pesquisas sobre novos materiais para a indústria metal-mecânica.

A conversão fotovoltaica

Conversão fotovoltaica é a transformação de energia luminosa em elétrica. Acontece nas células solares (os conhecidos painéis solares são formados por várias delas associadas). No chamado “efeito fotovoltaico”, a incidência de luz sobre certos materiais fornece energia aos elétrons do material, podendo lançá-los para a banda de condução Utilizando uma combinação de dois materiais com diferentes níveis eletrônicos, é possível se obter uma tensão elétrica entre suas extremidades, que gera uma corrente elétrica quando conectados a uma carga.

O aperfeiçoamento das células solares – a busca por melhor eficiência, menor preço, menor tamanho, maior segurança ambiental – passa pela pesquisa de novos materiais fotovoltaicos, novos revestimentos antirrefletores etc. O grupo age nesse tipo de investigação e estuda propriedades optoeletrônicas, estruturais e termomecânicas desses novos materiais para aplicação nas células solares e também outros dispositivos eletrônicos. Essa área exige a tecnologia de fabricação de filmes finos (modernamente, de alguns micrômetros – milésimos de milímetro – de espessura). As propriedades do sistema resultante dependem fundamentalmente do método de formação desses filmes; portanto, as técnicas de deposição dos mesmos sobre um substrato são também uma frente de pesquisa importante nessa área, na qual o grupo vem melhorando sua expertise.

Os principais materiais estudados são os semicondutores – amorfos (não-cristalinos) ou então nanoestruturados. Materiais nanoestruturados são aqueles que possuem estruturas de até alguns nanômetros de tamanho, ou seja, com até algumas dezenas de átomos de diâmetro. Sendo tão pequenos, sofrem efeitos quânticos que não aparecem em estruturas macroscópicas e por isso podem apresentar propriedades muito especiais. A exploração dessas características, do seu potencial para aplicação e do que elas podem nos revelar sobre fenômenos ainda desconhecidos e sobre a física básica é atualmente um amplo e ativo campo de estudos.

Sistema de deposição projetada e construída no IFGW para a deposição de carbono tipo diamante
(DLC) usando a técnica de arco catódico filtrado em vácuo (FCVA, "Filtered Cathodic Vacuum Arc")

Novos materiais para a indústria metal-mecânica

Trata-se da pesquisa de materiais duros para revestimentos, tais como nitreto de carbono, carbono tipo diamante ou carbeto de silício. A ideia é conseguir materiais com propriedades mecânicas e tribológicas cada vez melhores, o que é exigido cada vez mais pela indústria metal-mecânica (que fabrica bens intermediários de metal, máquinas, veículos etc.). A ênfase é no desenvolvimento dos materiais e no tratamento dos mesmos para melhorar seu desempenho.

Um dos principais métodos usados pelo grupo é a nitretação a plasma, um processo que incorpora átomos de nitrogênio na estrutura do material, próximo à sua superfície. Isso diminui o atrito entre as partes de um mecanismo e aumenta a dureza e a resistência à corrosão, à fadiga e ao desgaste. Algumas das principais aplicações são em ferramentas de corte, peças sinterizadas, eixos, matrizes e estampas.

O grupo trabalha também com várias ligas, feitas de carbono em diferentes estruturas (diamante, polimérico, tetraédrico), silício, carbono, germânio ou nitreto de carbono; também investiga materiais como esses dopados (com pequenas concentrações) com boro, alumínio, fósforo e nitrogênio. Os materiais são desenvolvidos nos laboratórios do grupo e são investigadas suas características, como a resistência ao estresse, a dureza, transmissibilidade de luz visível ou infravermelha e a forma do perfil da superfície do material (perfilometria).

Os métodos experimentais usados para esses estudos são o EXAFS (Estrutura Fina Estendida de Absorção de Raios-X, tipo de espectroscopia de absorção de raios-X, feita no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, LNLS), RBS (Espectroscopia de Retrodispersão de Rutherford), espectroscopia Raman (os dois últimos feitos em colaboração com outros laboratórios de pesquisa), estudos de luminescência e a XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por raios X).

Sistema de deposição por feixe iônico - Além disso, o LPF pesquisa fenômenos de deposição e de implantação de íons em materiais, utilizando íons de relativamente baixa energia (de ~10 eV até 1500 eV) mediante a técnica de Deposição Assistida com Feixe Dual de Íons (DIBAD, Dual Ion Beam Assiting Deposistion), utilizando canhões de Kaufman (vide figuras abaixo).

Esquema geral do sistema DIBAD (dual feixe iônico).
As duas fontes de íons são canhões do tipo Kaufman

Vista geral do sistema real

Esse equipamento possui uma porta-alvo rotatória para alojar até quatro tipos diferentes de materiais, permitindo a deposição de filmes multicamadas por sputtering. O processo de deposição é assistido por dois feixes iônicos (produzidos pelos dois canhões de tipo Kaufman). Um terceiro canhão tipo ECR (Electron Ciclotron Resonance) fica na parte posterior do equipamento e não é visível no desenho. O substrato é posicionado mediante uma estação de precisão x-y-z e a temperatura controlada. O sistema está munido de manipuladores para a transferência de amostras. O DIBAD comunica-se a um sistema de ultra-alto vácuo (UHV) para a análise in situ das amostras, feita pela técnica de espectroscopia de elétrons fotoemitidos (UPS e XPS). O sistema de XPS conta com lâmpada de radiação ultravioleta e raios-X para estudo, respectivamente, das estruturas eletrônica da banda de valência e do caroço dos materiais depositados pela técnica DIBAD.

Nanotubos de carbono - O LPF realiza ainda pesquisas com nanotubos de carbono depositados pela técnica chamada Deposição Química de Vapor Assistida por Plasma (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), para estudos de emissão de elétrons induzida pela ação de campos elétricos (field emission). Os nanotubos são analisados por diversas técnicas, tais como a microscopia de alta resolução por transmissão de elétrons (HRTEM) e a microscopia de elétrons por varredura (SEM). As pesquisas também estão dirigidas ao estudo da influência da nanoestrutura do substrato no crescimento dos nanotubos.

Nanotubos de carbono. a) Um “carpete” de nanotubos obtido após de sua extração mediante uma ponta de diamante e analisado por SEM. b) Uma visão lateral do carpete.
c) e d) Fotos obtidas por SEM mediante uma vista superior do carpete.

A fotônica

Assim como a palavra “eletrônica” se refere a tecnologias baseadas no uso do elétron como transmissor de energia e de informações, o termo “fotônica” diz respeito a tecnologias baseadas no uso da luz (fótons) para o mesmo fim. O dispositivo mais conhecido da fotônica é a fibra óptica. Ainda existe muito avanço possível nessa área: apesar de parte das comunicações atualmente ser feita com base na transmissão da luz por essas fibras, boa parte do processamento da informação ainda é feito com eletricidade – os computadores ainda são eletrônicos, e não fotônicos.

Outro desafio é que a demanda por maior velocidade de transmissão de dados se aproxima perigosamente do limite da tecnologia atual, o que pode significar o colapso da Internet em alguns anos. Há projeções que indicam que, se a rede continuar a evoluir como tem acontecido nos últimos anos, será necessário aumentar de 100 a 1000 vezes a capacidade de transmissão de dados na mesma. Caso contrário, poderá haver um imenso congestionamento mundial. Para evitar esse problema estão sendo pesquisados novos materiais para os dispositivos ópticos necessários para os sistemas de comunicação.

Os novos materiais investigados pelo grupo podem servir para os dois fins – as comunicações ópticas e a computação óptica. O principal usado no mundo todo é o silício, pois ele já é a base da microeletrônica. No entanto, se as propriedades eletrônicas desse semicondutor são muito proveitosas, as propriedades ópticas não são boas para a fotônica. Porém, quando se dopa o silício com minúsculas quantidades de elementos chamados terras-raras, suas propriedades ópticas melhoram bastante. O grupo tem investigado o érbio como dopante. Dispositivos baseados no silício dopado com érbio já são usados correntemente nas pesquisas em fotônica. Outros dopantes, como o neodímio, estão sendo explorados; praseodímio, térbio e európio também são pesquisados, junto com outras matrizes diferentes do silício.

Ultimamente, a equipe tem também se dedicando ao óxido de zinco (ZnO) como substituto possível do silício. A vantagem do ZnO é que ele pode formar nanofios bastante extensos e homogêneos. Nanofios são filamentos que possuem espessura de até algumas dezenas de átomos. Nessa forma, suas propriedades ópticas ficam mais interessantes que com tamanhos macroscópicos. Também podem ser usados dopantes para melhorar suas propriedades ópticas.

O grupo sintetiza esses sistemas e estuda suas propriedades, como elas mudam quando se muda o dopante, como aperfeiçoar o método de síntese para obter melhores materiais com melhores características ópticas, como conseguir uma dopagem homogênea e com concentração controlável (às vezes o dopante não de distribui homogeneamente pelo material e é necessário descobrir técnicas especiais para se viabilizar isso).

Para realizar essas caracterizações, o grupo utiliza equipamentos do próprio laboratório e do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). As principais técnicas utilizadas são a EXAFS, a XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) – as duas últimas sendo dois tipos de espectroscopia de absorção de raios-X – e a HRTM (Microscopia de Transmissão de Alta Resolução).

Equipamentos usados no LPF