Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали фотодетектор - устройство, воспринимающее свет, - объединив два различных неорганических материала и создав квантово-механические процессы, которые могут революционизировать способы сбора солнечной энергии.
Фотодетекторы почти вездесущи, их можно найти в камерах, сотовых телефонах, пультах дистанционного управления, солнечных батареях и даже панелях космических кораблей. Эти крошечные устройства, размером всего в микрон, преобразуют свет в электроны, последующее движение которых генерирует электронный сигнал. Повышение эффективности преобразования света в электричество было одной из основных целей в конструкции фотодетекторов с момента их изобретения.
Лабораторные исследователи наложили два атомных слоя диселенида вольфрама (WSe2) на один атомный слой диселенида молибдена (MoSe2). Такое наложение приводит к свойствам, сильно отличающимся от свойств родительских слоев, что позволяет создавать индивидуальную электронную инженерию в наименьшем возможном масштабе.
Внутри атомов электроны живут в состояниях, определяющих их энергетический уровень. Когда электроны переходят из одного состояния в другое, они либо приобретают, либо теряют энергию. Выше определенного уровня энергии электроны могут свободно двигаться. Электрон, переходящий в более низкое энергетическое состояние, может передать достаточно энергии, чтобы выбить другой электрон.
Физики Калифорнийского университета в Риверсайде заметили, что когда фотон сталкивается со слоем WSe2, он выбивает электрон, освобождая его для проведения через слой WSe2На стыке между WSe2 и MoSe2 электрон опускается в MoSe2 Затем высвобождаемая энергия катапультирует второй электрон из WSe2 в MoSe2, где оба электрона становятся свободными для движения и генерируют электричество.
«Мы наблюдаем новое явление», - сказал Натаниэль М. Габор, доцент кафедры физики, возглавлявший исследовательскую группу. «Обычно, когда электрон переходит из одного энергетического состояния в другое, он тратит энергию впустую. В нашем эксперименте излишняя энергия вместо этого создает еще один электрон, удваивая его эффективность. большое значение для разработки новых сверхэффективных фотоэлектрических устройств."
Результаты исследования опубликованы сегодня в Nature Nanotechnology.
"Электрон в WSe2, первоначально возбужденный фотоном, имеет низкую энергию по сравнению с WSe2, - сказала Фатемех Барати, аспирантка лаборатории оптоэлектроники квантовых материалов Габора и соавтор исследовательской работы. «При приложении небольшого электрического поля он переходит в MoSe2, где его энергия по сравнению с этим новым материалом высока. Это означает, что теперь он может терять энергию. Эта энергия рассеивается в виде кинетической энергии, которая выбивает дополнительный электрон из WSe2"
В существующих моделях солнечных панелей один фотон может генерировать максимум один электрон. В прототипе, разработанном исследователями, один фотон может генерировать два или более электронов посредством процесса, называемого умножением электронов..
Исследователи объяснили, что в сверхмалых материалах электроны ведут себя как волны. Хотя это неинтуитивно на больших масштабах, процесс генерации двух электронов из одного фотона вполне допустим на чрезвычайно малых масштабах. Когда материал, такой как WSe2 или MoSe2, разбавляется до размеров, близких к длине волны электрона, свойства материала начинают меняться необъяснимым образом., непредсказуемые и таинственные пути.
"Это похоже на волну, застрявшую между стенами, сближающимися", - сказал Габор. «С точки зрения квантовой механики это меняет все масштабы. Комбинация двух разных сверхмалых материалов приводит к совершенно новому процессу умножения. Два плюс два равно пяти».
«В идеале, в солнечном элементе мы хотели бы, чтобы входящий свет превращался в несколько электронов», - сказал Макс Гроссникл, также аспирант лаборатории Габора и соавтор исследовательской работы. «Наша статья показывает, что это возможно».
Барати отметил, что большее количество электронов может генерироваться также за счет повышения температуры устройства.
«Мы наблюдали удвоение электронов в нашем устройстве при 340 градусах Кельвина (150 F), что немного выше комнатной температуры», - сказала она. «Немногие материалы показывают это явление при комнатной температуре. Когда мы повышаем эту температуру, мы должны увидеть больше, чем удвоение электронов».
Умножение электронов в обычных устройствах с фотоэлементами обычно требует приложенного напряжения 10-100 вольт. Чтобы наблюдать удвоение электронов, исследователи использовали только 1,2 вольта, типичное напряжение, обеспечиваемое батареей АА..
«Работа с таким низким напряжением и, следовательно, низкое энергопотребление может предвещать революционное направление в разработке материалов для фотодетекторов и солнечных элементов», - сказал Гроссникл..
Он объяснил, что эффективность фотогальванического устройства определяется простой конкуренцией: световая энергия либо преобразуется в отработанное тепло, либо в полезную электронику.
«Сверхтонкие материалы могут склонить чашу весов в этом соревновании, одновременно ограничивая тепловыделение и увеличивая мощность электроники», - сказал он.
Габор объяснил, что квантово-механическое явление, наблюдаемое его командой в их устройстве, похоже на то, что происходит, когда космические лучи, вступая в контакт с земной атмосферой с высокой кинетической энергией, производят массив новых частиц.
Он предположил, что выводы команды могут найти применение непредвиденным образом.
«Эти материалы толщиной всего в один атом почти прозрачны», - сказал он. «Вполне возможно, что однажды мы увидим их включенными в краску или в солнечные элементы, встроенные в окна. Поскольку эти материалы гибкие, мы можем представить себе их применение в носимых фотогальваниках, когда материалы будут интегрированы в ткань. Мы могли бы, скажем,, костюм, генерирующий энергию - технология сбора энергии, которая практически невидима."
Видео