Supertunna solcellsapparater stödjer soltekniken och vinster i effektiviteten i deras produktion är därför eftertraktade. KAUST-forskare har kombinerat och omarrangerat olika halvledare för att skapa så kallade laterala p-n-heterojunctions - en enklare process som de hoppas kommer att förändra tillverkningen av solceller, självdriven nanoelektronik såväl som ultratunn, transparent, flexibla enheter.

Tvådimensionella halvledarmonoskikt, såsom grafen och övergångsmetalldikalkogenider som WSe2 och MoS2, har unika elektriska och optiska egenskaper som gör dem till potentiella alternativ till konventionella kiselbaserade material. De senaste framstegen inom materialtillväxt och överföringstekniker har gjort det möjligt för forskare att manipulera dessa monolager. Specifikt, vertikal stapling har lett till ultratunna fotovoltaiska enheter men kräver flera komplexa överföringssteg. Dessa steg hämmas av olika problem, såsom bildandet av föroreningar och defekter vid monolagergränssnittet, som begränsar enhetens kvalitet.

"Enheter som erhålls med dessa överföringstekniker är vanligtvis instabila och varierar från prov till prov, säger ledande forskare och tidigare gäststudent till docent, Jr-Hau He, Meng-Lin Tsai, som tillägger att överföringsrelaterade föroreningar avsevärt påverkar enhetens tillförlitlighet. Elektroniska egenskaper har också visat sig vara svåra att kontrollera genom vertikal stapling.

För att fullt ut utnyttja de exceptionella egenskaperna hos dessa tvådimensionella material, Tsai's team, under hans mentorskap, skapade monolager med laterala WSe2-MoS2 heterojunctions och införlivade dem i solceller. Under simulerat solljus, cellerna uppnådde större effektomvandlingseffektivitet än deras vertikalt staplade motsvarigheter.

Att göra detta, först syntetiserade forskarna heterojunctions genom att i följd deponera WSe2 och MoS2 på ett safirsubstrat. Nästa, de överförde materialen till en kiselbaserad yta för tillverkning av fotovoltaiska enheter.

Högupplöst mikroskopi avslöjade att den laterala korsningen visade en tydlig separation mellan halvledarna vid gränssnittet. Också, forskarna upptäckte ingen märkbar höjdskillnad mellan halvledarregioner, överensstämmer med ett atomärt tunt gränssnitt.

Dessa gränssnittsegenskaper signalerade framgång. "Våra strukturer är renare och mer idealiska än vertikalt staplade enheter eftersom vi inte behövde flerstegsöverföringsproceduren, " förklarar Tsai.

Vidare, de laterala heteroövergångarna behöll för det mesta sin effektivitet trots förändringar i orienteringen av det infallande ljuset. Att kunna ta ljus från vilken riktning som helst innebär att dyra solspårningssystem blir överflödiga.

Enligt Tsai, implementeringen av laterala heterojunctions i mer komplexa kretsar och sammankopplingar kan resultera i högre prestanda än i konventionella solceller och därför arbetar teamet med nästa steg. "Vi försöker förstå den underliggande kinetiken och termodynamiken för dessa heteroövergångar för att designa mer effektiva celler, " han lägger till.