Jämförelse av fotoluminescensen av olika tjocklekar av molybden -diselenid. Enskiktsprovet har det högsta fotoluminescensvärdet på grund av dess direkta bandgap. Bildkredit:Tongay, et al. © 2012 American Chemical Society
(Phys.org) - I hjärtat, solcellsforskning handlar om att hitta material med specifika egenskaper som gör dem bra på att absorbera solljus och omvandla det till elektricitet. De bästa fotovoltaiska materialen är halvledare som har optimala bandgapvärden från 1-1,6 eV, så att de kan absorbera särskilda delar av solspektrumet beroende på värdet på bandgapet. I en ny studie, materialforskare har syntetiserat och kännetecknat ett nytt halvledarmaterial som består av ett atomiskt tunt (0,7 nm) lager av selen och molybden som har en idealisk bandgap för solskörd och optoelektronikapplikationer, och uppvisar också ett unikt beteende.
Forskarna, ett team från University of California, Berkeley; MIT; och den kinesiska vetenskapsakademien, har publicerat sin studie i ett nyligen publicerat nummer av Nano bokstäver .
"Här, vi har isolerat enstaka lager av molybden -diselenid (MoSe 2 ) och visade sitt lovande bandgapvärde på 1,5 eV för solskörd och eventuellt andra optoelektronikapplikationer, "medförfattare Junqiao Wu, professor vid University of California, Berkeley, berättade Phys.org . "Enligt Shockley-Queisser-gränsen för den teoretiska maximala effektiviteten för solcells halvledare, halvledare med bandgap mellan 1 och 1,6 eV har störst potential att bilda en effektiv cell. Detta beror på att ett bredare bandgap inte skulle kunna absorbera fotoner med låg energi (och därmed skulle fotoströmmen vara låg), och ett smalare bandgap skulle förlora för många högenergifotoner för att värma (och därmed skulle fotovolta vara låg). Vi ligger inom detta intervall i gränsen för ett lager. "
Förutom dess tilltalande bandgap, MoSe 2 är också attraktiv på grund av en annan ovanlig egenskap:den har nästan urartade direkta och indirekta bandluckor i gränsen för få lager, d.v.s. de direkta och indirekta bandgapen har nästan samma energi i fålagersgränsen. Även om material med både direkta och indirekta bandgap kan absorbera fotoner vars energi ligger nära bandgapetergin, material med direkta bandgap tillåter inte fotoner att tränga så långt in, vilket gör dem bättre (och vanligtvis tunnare) ljusabsorberare än material med indirekta bandgap.
AFM-bild av en molybden-diselenidflinga i ett lager. Bildkredit:Tongay, et al. © 2012 American Chemical Society
MoSe 2 , som de flesta andra övergångsmetallkalkogenider, har ett indirekt bandgap i bulkform och ett direkt bandgap som ett tvådimensionellt enkelskikt. Vanligtvis, för att omvandla det indirekta bandgapet till ett direkt bandgap, ett enda lager måste fysiskt isoleras från en bit bulkmaterial.
I den nya studien, forskarna fann att de kunde byta det indirekta bandgapet i ett få lager MoSe 2 till ett direkt bandgap helt enkelt genom att öka temperaturen. Som forskarna förklarar, höjning av temperaturen till 100 ° C (212 ° F) gör att flera lager av materialet termiskt kopplas från varandra på grund av termisk expansion av utrymmet mellan skikten. Väsentligen, de flera lagren fungerar var och en som individuella lager med direkta bandgap. Avkoppling lyfter degenerationen så att materialet blir mer direktbandigt och mer självlysande.
Eftersom många övergångsmetallkalkogenider har ett indirekt bandgap i bulkform och blir direkt som ett enda lager, man kan förvänta sig att andra material också kan byta bandgap genom att ändra temperaturen. Dock, när forskarna testade ett liknande material, molybdendisulfid (MoS 2 ), de fann att även om höjning av temperaturen utökade mellanskiktets avstånd som det gjorde i MoSe 2 , dess bandgap förblev indirekt i fålagersformen, till skillnad från MoSe 2 .
Denna skillnad beror på MoSe 2 har en mindre skillnad (ungefär hälften) mellan värdena för dess indirekta bandgap och direkta bandgap jämfört med MoS 2 . En större energiskillnad för MoS 2 betyder att dess bandgap är långt ifrån degenererat och dess lager inte kan termiskt kopplas ur den optiska synvinkeln; det enda sättet att ändra bandgapet till direkt är att fysiskt isolera ett enda lager från massan.
Än så länge, det verkar som att MoSe 2 är det enda materialet som ändrar dess bandgapstyp på grund av en temperaturförändring. Dock, forskarna tror att det finns andra tvådimensionella material med nästan urartade indirekta och direkta bandgapvärden som kan uppträda på ett liknande sätt.
"MoSe 2 är speciellt i den meningen att dess indirekta och direkta bandgapvärden redan har ett nära värde, och en liten temperaturhöjning var tillräcklig för att koppla loss lagren något från varandra och skjuta det mot den direkta bandgapregimen, "säger medförfattaren Sefaattin Tongay från University of California, Berkeley.
Möjligheten att kontrollera bandgapet för MoSe 2 , tillsammans med sitt attraktiva 1,5 eV direktbandgap i enkelskiktsform, gör materialet tilltalande för applikationer, inklusive omvandling av solenergi i solceller med en korsning, Lysdioder, optoelektroniska enheter, och fotoelektrokemiska celler. MoSe 2 membran kan också användas för att funktionalisera ytan på andra material för att bilda effektiva solavverkningsstrukturer.
"För närvarande, vi håller på att designa funktionella tvådimensionella halvledare och undersöka vad dessa material kan erbjuda, "Tongay sa." Vi vill hitta applikationer och utforska ny fysik i reducerade dimensioner. "
Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
