Ett energidiagram över WSe2-MoSe2-enheten. När en foton (1) träffar WSe2-skiktet, det slår loss en elektron (2), frigör den att genomföra genom WSe2 (3). I korsningen mellan de två materialen, elektronen faller ner i MoSe2 (4). Energin som avges i droppen katapulterar en andra elektron från WSe2 (5) in i MoSe2 (6), där båda elektronerna är fria att röra sig och generera elektricitet. Kredit:University Communications, UC Riverside.
Fysiker vid University of California, Riverside har utvecklat en fotodetektor - en enhet som känner av ljus - genom att kombinera två distinkta oorganiska material och producera kvantmekaniska processer som kan revolutionera hur solenergi samlas in.
Fotodetektorer är nästan allestädes närvarande, finns i kameror, mobiltelefoner, fjärrkontroller, solceller, och till och med panelerna i rymdfärjor. Mäter bara mikron tvärs över, dessa små enheter omvandlar ljus till elektroner, vars efterföljande rörelse genererar en elektronisk signal. Att öka effektiviteten av ljus-till-el-omvandling har varit ett av de primära syftena med fotodetektorkonstruktion sedan deras uppfinning.
Laboratorieforskare staplade två atomlager av volframdiselenid (WSe 2 ) på ett enda atomlager av molybdendiselenid (MoSe 2 ). Sådan stapling resulterar i egenskaper som skiljer sig väsentligt från moderlagren, möjliggör anpassad elektronisk konstruktion i minsta möjliga skala.
Inom atomer, elektroner lever i tillstånd som bestämmer deras energinivå. När elektroner rör sig från ett tillstånd till ett annat, de antingen förvärvar eller förlorar energi. Över en viss energinivå, elektroner kan röra sig fritt. En elektron som går in i ett lägre energitillstånd kan överföra tillräckligt med energi för att slå loss en annan elektron.
UC Riverside fysiker observerade att när en foton träffar WSe 2 lager, det slår loss en elektron, frigör den att genomföra genom WSe 2 . Vid korsningen mellan WSe 2 och MoSe 2 , elektronen faller ner i MoSe 2 . Energin som avges katapulterar sedan en andra elektron från WSe 2 in i MoSe 2 , där båda elektronerna blir fria att röra sig och generera elektricitet.
"Vi ser ett nytt fenomen uppstå, " sa Nathaniel M. Gabor, en biträdande professor i fysik, som ledde forskargruppen. "I vanliga fall, när en elektron hoppar mellan energitillstånd, det slösar energi. I vårt experiment, avfallsenergin skapar istället en annan elektron, fördubblar dess effektivitet. Förstå sådana processer, tillsammans med förbättrade konstruktioner som skjuter bortom de teoretiska effektivitetsgränserna, kommer att ha en bred betydelse när det gäller att designa nya ultraeffektiva solcellsapparater."
UC Riversides Nathaniel Gabor (vänster) ses här i hans Quantum Materials Optoelectronics lab med sina doktorander Fatemeh Barati (i mitten) och Max Grossnickle. Kredit:I. Pittalwala, UC Riverside.
Studieresultat visas idag i Naturens nanoteknik .
"Elektronen i WSe 2 som initialt aktiveras av fotonen har en energi som är låg med avseende på WSe 2 , "sa Fatemeh Barati, en doktorand i Gabors Quantum Materials Optoelectronics-labb och den första författaren till forskningsartikeln. "Med applicering av ett litet elektriskt fält, den överförs till MoSe 2 , var dess energi, med avseende på detta nya material, är hög. Menande, den kan nu tappa energi. Denna energi försvinner som rörelseenergi som lossnar den extra elektronen från WSe 2 . "
I befintliga solpanelsmodeller, en foton kan som mest generera en elektron. I prototypen som forskarna utvecklade, en foton kan generera två elektroner eller mer genom en process som kallas elektronmultiplikation.
Forskarna förklarade att i ultrasmå material, elektroner beter sig som vågor. Även om det är ointuitivt i stor skala, processen med att generera två elektroner från en foton är helt tillåten vid extremt små längder. När ett material, såsom WSe 2 eller MoSe 2 , tunnas ut till dimensioner som närmar sig elektronens våglängd, materialets egenskaper börjar förändras på ett oförklarligt sätt, oförutsägbar, och mystiska sätt.
"Det är som en våg som fastnat mellan väggar som sluter sig, " sa Gabor. "Kvantmekaniskt, detta ändrar alla skalor. Kombinationen av två olika ultrasmå material ger upphov till en helt ny multiplikationsprocess. Två plus två är lika med fem."
"Helst, in a solar cell we would want light coming in to turn into several electrons, " said Max Grossnickle, also a graduate student in Gabor's lab and the research paper's co-first author. "Our paper shows that this is possible."
Barati noted that more electrons could be generated also by increasing the temperature of the device.
"We saw a doubling of electrons in our device at 340 degrees Kelvin (150 F), which is slightly above room temperature, " she said. "Few materials show this phenomenon around room temperature. As we increase this temperature, we should see more than a doubling of electrons."
Electron multiplication in conventional photocell devices typically requires applied voltages of 10-100 volts. To observe the doubling of electrons, the researchers used only 1.2 volts, the typical voltage supplied by an AA battery.
"Such low voltage operation, and therefore low power consumption, may herald a revolutionary direction in photodetector and solar cell material design, " Grossnickle said.
He explained that the efficiency of a photovoltaic device is governed by a simple competition:light energy is either converted into waste heat or useful electronic power.
"Ultrathin materials may tip the balance in this competition by simultaneously limiting heat generation, while increasing electronic power, " han sa.
Gabor explained that the quantum mechanical phenomenon his team observed in their device is similar to what occurs when cosmic rays, coming into contact with the Earth's atmosphere with high kinetic energy, produce an array of new particles.
He speculated that the team's findings could find applications in unforeseen ways.
"These materials, being only an atom thick, are nearly transparent, " he said. "It's conceivable that one day we might see them included in paint or in solar cells incorporated into windows. Because these materials are flexible, we can envision their application in wearable photovoltaics, with the materials being integrated into the fabric. We could have, säga, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."
