Fysiker vid Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP), inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea), har upptäckt ett spännande fenomen, känd som bärarmultiplikation (CM), i en klass av halvledare med otrolig tunnhet, enastående fastigheter, och möjliga tillämpningar inom elektronik och optik. Publicerad i Naturkommunikation, dessa nya rön har potential att stärka solcells- och fotodetektorfälten, och skulle kunna förbättra effektiviteten hos solceller producerade med dessa ultratunna material till upp till 46 %.

En intressant klass av 2D-material, van der Waals skiktade övergångsmetalldikalkogenider (2-D TMDs), förväntas skapa nästa generations optoelektroniska enheter, som solceller, transistorer, ljusemitterande dioder (LED), etc. De består av individuella tunna lager åtskilda av mycket svaga kemiska bindningar (van der Waals bindningar), och har unika optiska egenskaper, hög ljusabsorption, och hög bärvågsrörlighet (elektron och hål). Förutom att tillåta alternativet att justera deras bandgap genom att ändra sammansättning och lagertjocklek, dessa material erbjuder också en ultrahög intern strålningseffektivitet på> 99 %, främjas av eliminering av ytimperfektioner och stor bindningsenergi mellan bärare.

Absorptionen av solljus i halvledande 2-D TMD-monoskikt når vanligtvis 5-10 %, som är en storleksordning större än i de flesta vanliga solcellsmaterial, som kisel, kadmiumtellurid, och galliumarsenid. Trots dessa idealiska egenskaper, dock, den maximala effektomvandlingseffektiviteten för 2-D-TMDs solceller har hållits under 5 % på grund av förluster vid metallelektroderna. IBS-teamet i samarbete med forskare vid universitetet i Amsterdam hade som mål att övervinna denna nackdel genom att utforska CM-processen i dessa material.

CM är ett mycket effektivt sätt att omvandla ljus till elektricitet. En enskild foton exciterar vanligtvis en enstaka elektron, lämnar efter sig ett "tomt utrymme" (hål). Dock, det är möjligt att generera två eller flera elektronhålspar i speciella halvledare om energin hos det infallande ljuset är tillräckligt stor, mer specifikt, om fotonenergin är två gånger materialets bandgapenergi. Medan CM-fenomenet är ganska ineffektivt i bulkhalvledare, det förväntades vara mycket effektivt i 2D-material, men bevisades inte experimentellt på grund av vissa tekniska begränsningar, som korrekt 2-D TMD-syntes och ultrasnabb optisk mätning. I den här studien, teamet observerade CM i 2-D TMD, nämligen 2H-MoTe ₂ och 2H-WSe ₂ filmer, för första gången; ett fynd som förväntas förbättra den nuvarande effektiviteten hos 2-D TMD-solceller, till och med gå över Shockley-Queisser-gränsen på 33,7 %.

"Våra nya resultat bidrar till den grundläggande förståelsen av CM-fenomenet i 2-D-TMD. Om man övervinner kontaktförlusterna och lyckas utveckla solceller med CM, deras maximala effektomvandlingseffektivitet kan ökas med upp till 46 %, " säger Young Hee Lee, CINAP direktör. "Denna nya nanomaterialteknik erbjuder möjligheten till en ny generation av effektiva, hållbar, och flexibla solceller."