Natuurkundigen van het Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP), binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), een intrigerend fenomeen hebben ontdekt, bekend als dragervermenigvuldiging (CM), in een klasse van halfgeleiders met ongelooflijke dunheid, uitstekende eigenschappen, en mogelijke toepassingen in elektronica en optica. Gepubliceerd in Natuur Communicatie, deze nieuwe bevindingen hebben het potentieel om de fotovoltaïsche en fotodetectorvelden te stimuleren, en zou de efficiëntie van zonnecellen die met deze ultradunne materialen zijn geproduceerd, kunnen verbeteren tot 46%.

Een interessante klasse van 2D-materialen, de van der Waals gelaagde overgangsmetaal dichalcogeniden (2-D TMD's), zullen naar verwachting de volgende generatie opto-elektronische apparaten creëren, zoals zonnecellen, transistoren, lichtemitterende diodes (LED), enz. Ze bestaan ​​uit afzonderlijke dunne lagen gescheiden door zeer zwakke chemische bindingen (van der Waals-bindingen), en hebben unieke optische eigenschappen, hoge lichtabsorptie, en hoge drager (elektron en gat) mobiliteit. Naast de mogelijkheid om hun bandafstand af te stemmen door de samenstelling en laagdikte te veranderen, deze materialen bieden ook een ultrahoge interne stralingsefficiëntie van> 99%, bevorderd door de eliminatie van oppervlakte-imperfecties en grote bindingsenergie tussen dragers.

Absorptie van zonlicht in halfgeleidende 2-D TMD-monolagen bereikt typisch 5-10%, die een orde van grootte groter is dan die in de meeste gangbare fotovoltaïsche materialen, zoals silicium, cadmiumtelluride, en galliumarsenide. Ondanks deze ideale eigenschappen, echter, de maximale energieconversie-efficiëntie van 2-D-TMD-zonnecellen is onder de 5% gebleven als gevolg van verliezen aan de metalen elektroden. Het IBS-team in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam probeerde dit nadeel te overwinnen door het CM-proces in deze materialen te onderzoeken.

CM is een zeer efficiënte manier om licht om te zetten in elektriciteit. Een enkel foton wekt gewoonlijk een enkel elektron op, een 'lege ruimte' (gat) achterlatend. Echter, het is mogelijk om twee of meer elektron-gat-paren te genereren, in het bijzonder halfgeleiders, als de energie van het invallende licht voldoende groot is, specifieker, als de fotonenergie tweemaal de bandgap-energie van het materiaal is. Hoewel het CM-fenomeen nogal inefficiënt is in bulkhalfgeleiders, er werd verwacht dat het zeer efficiënt zou zijn in 2D-materialen, maar werd niet experimenteel bewezen vanwege enkele technische beperkingen, zoals een goede 2-D TMD-synthese en ultrasnelle optische meting. In dit onderzoek, het team observeerde CM in 2-D TMD's, namelijk 2H-MoTe ₂ en 2H-WSe ₂ films, Voor de eerste keer; een bevinding die naar verwachting de huidige efficiëntie van 2-D TMD-zonnecellen zal verbeteren, zelfs verder gaan dan de Shockley-Queisser-limiet van 33,7%.

"Onze nieuwe resultaten dragen bij aan het fundamentele begrip van het CM-fenomeen in 2-D-TMD. Als men de contactverliezen overwint en erin slaagt fotovoltaïsche energie te ontwikkelen met CM, hun maximale stroomconversie-efficiëntie kan worden verhoogd tot 46%, " zegt Young Hee Lee, directeur van CINAP. "Deze nieuwe nanomateriaaltechnologie biedt de mogelijkheid voor een nieuwe generatie efficiënte, duurzaam, en flexibele zonnecellen."