Natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Riverside heeft een fotodetector ontwikkeld - een apparaat dat licht detecteert - door twee verschillende anorganische materialen te combineren en kwantummechanische processen te produceren die een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop zonne-energie wordt verzameld.

Fotodetectoren zijn bijna alomtegenwoordig, gevonden in camera's, telefoons, afstandsbedieningen, zonnepanelen, en zelfs de panelen van spaceshuttles. Met een diameter van slechts micron, deze kleine apparaten zetten licht om in elektronen, waarvan de daaropvolgende beweging een elektronisch signaal genereert. Het verhogen van de efficiëntie van licht-naar-elektriciteit-conversie is sinds hun uitvinding een van de belangrijkste doelen geweest in de constructie van fotodetectoren.

Labonderzoekers stapelden twee atomaire lagen wolfraamdiselenide (WSe .) op elkaar ₂ ) op een enkele atomaire laag molybdeendiselenide (MoSe ₂ ). Een dergelijke stapeling resulteert in eigenschappen die enorm verschillen van die van de bovenliggende lagen, waardoor elektronische engineering op de kleinst mogelijke schaal mogelijk is.

Binnen atomen, elektronen leven in toestanden die hun energieniveau bepalen. Wanneer elektronen van de ene toestand naar de andere gaan, ze verwerven of verliezen energie. Boven een bepaald energieniveau elektronen kunnen vrij bewegen. Een elektron dat naar een lagere energietoestand gaat, kan genoeg energie overdragen om een ​​ander elektron los te laten.

Natuurkundigen van UC Riverside merkten op dat wanneer een foton de WSe . raakt ₂ laag, het klopt een elektron los, vrijgeven om via de WSe te voeren ₂ . Op de kruising tussen WSe ₂ en MoSe ₂ , het elektron valt naar beneden in MoSe ₂ . De afgegeven energie katapulteert vervolgens een tweede elektron van de WSe ₂ in de MoSe ₂ , waar beide elektronen vrij worden om te bewegen en elektriciteit op te wekken.

"We zien een nieuw fenomeen optreden, " zei Nathaniel M. Gabor, een assistent-professor natuurkunde, die het onderzoeksteam leidde. "Normaal gesproken, wanneer een elektron tussen energietoestanden springt, het verspilt energie. In ons experiment, de afvalenergie creëert in plaats daarvan een ander elektron, verdubbeling van de efficiëntie. Inzicht in dergelijke processen, samen met verbeterde ontwerpen die verder gaan dan de theoretische efficiëntiegrenzen, zal een brede betekenis hebben met betrekking tot het ontwerpen van nieuwe ultra-efficiënte fotovoltaïsche apparaten."

Studieresultaten verschijnen vandaag in Natuur Nanotechnologie .

"Het elektron in WSe ₂ die in eerste instantie wordt geactiveerd door het foton heeft een energie die laag is ten opzichte van WSe ₂ , " zei Fatemeh Barati, een afgestudeerde student in het Quantum Materials Optoelectronics-lab van Gabor en de co-eerste auteur van het onderzoekspaper. "Met de toepassing van een klein elektrisch veld, het wordt overgedragen aan MoSe ₂ , waar zijn energie, met betrekking tot dit nieuwe materiaal, is hoog. Betekenis, het kan nu energie verliezen. Deze energie wordt gedissipeerd als kinetische energie die het extra elektron van WSe . losmaakt ₂ ."

In bestaande zonnepanelen modellen, één foton kan hoogstens één elektron genereren. In het prototype ontwikkelden de onderzoekers, één foton kan twee of meer elektronen genereren via een proces dat elektronenvermenigvuldiging wordt genoemd.

De onderzoekers legden uit dat in ultrakleine materialen, elektronen gedragen zich als golven. Hoewel het op grote schaal niet intuïtief is, het proces van het genereren van twee elektronen uit één foton is perfect toelaatbaar op extreem kleine lengteschalen. Wanneer een materiaal, zoals WSe ₂ of MoSe ₂ , wordt uitgedund tot afmetingen die de golflengte van het elektron benaderen, de eigenschappen van het materiaal beginnen op onverklaarbare wijze te veranderen, onvoorspelbaar, en mysterieuze manieren.

"Het is als een golf die vastzit tussen muren die dichterbij komen, ' zei Gabor. 'Quantum mechanisch, dit verandert alle schalen. De combinatie van twee verschillende ultrakleine materialen geeft aanleiding tot een geheel nieuw vermenigvuldigingsproces. Twee plus twee is vijf."

"Ideaal, in een zonnecel zouden we willen dat licht dat binnenkomt in verschillende elektronen verandert, " zei 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, " hij zei.

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, zeggen, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."