Un diagramma energetico del dispositivo WSe2-MoSe2. Quando un fotone (1) colpisce lo strato WSe2, fa cadere un elettrone (2), liberandolo per condurre attraverso il WSe2 (3). All'incrocio tra i due materiali, l'elettrone cade in MoSe2 (4). L'energia sprigionata nella goccia catapulta un secondo elettrone dal WSe2 (5) nel MoSe2 (6), dove entrambi gli elettroni sono liberi di muoversi e generare elettricità. Crediti:Comunicazione universitaria, UC Riverside.
Fisici dell'Università della California, Riverside ha sviluppato un fotorilevatore, un dispositivo che rileva la luce, combinando due distinti materiali inorganici e producendo processi quantomeccanici che potrebbero rivoluzionare il modo in cui viene raccolta l'energia solare.
I fotorilevatori sono quasi onnipresenti, trovato nelle fotocamere, telefono cellulare, controlli remoti, celle solari, e anche i pannelli delle navette spaziali. Misurando solo micron di diametro, questi minuscoli dispositivi convertono la luce in elettroni, il cui successivo movimento genera un segnale elettronico. L'aumento dell'efficienza della conversione da luce a elettricità è stato uno degli obiettivi primari nella costruzione dei fotorivelatori sin dalla loro invenzione.
I ricercatori di laboratorio hanno impilato due strati atomici di diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ) su un singolo strato atomico di diseleniuro di molibdeno (MoSe 2 ). Tale impilamento si traduce in proprietà molto diverse da quelle dei livelli genitori, consentendo un'ingegneria elettronica personalizzata alla scala più piccola possibile.
All'interno degli atomi, gli elettroni vivono in stati che ne determinano il livello energetico. Quando gli elettroni passano da uno stato all'altro, acquistano o perdono energia. Al di sopra di un certo livello di energia, gli elettroni possono muoversi liberamente. Un elettrone che si sposta in uno stato energetico inferiore può trasferire energia sufficiente per staccare un altro elettrone.
I fisici della UC Riverside hanno osservato che quando un fotone colpisce il WSe 2 strato, fa cadere un elettrone, liberandolo di condurre attraverso il WSe 2 . All'incrocio tra WSe 2 e MoSe 2 , l'elettrone cade in MoSe 2 . L'energia sprigionata poi catapulta un secondo elettrone dal WSe 2 nel MoSe 2 , dove entrambi gli elettroni diventano liberi di muoversi e generare elettricità.
"Stiamo assistendo a un nuovo fenomeno che si verifica, " ha detto Nathaniel M. Gabor, un assistente professore di fisica, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Normalmente, quando un elettrone salta tra stati energetici, spreca energia. Nel nostro esperimento, l'energia sprecata crea invece un altro elettrone, raddoppiandone l'efficienza. Comprendere tali processi, insieme a progetti migliorati che spingono oltre i limiti di efficienza teorici, avrà un ampio significato per quanto riguarda la progettazione di nuovi dispositivi fotovoltaici ultra efficienti."
Nathaniel Gabor (a sinistra) di UC Riverside è visto qui nel suo laboratorio di optoelettronica di materiali quantistici con i suoi studenti laureati Fatemeh Barati (al centro) e Max Grossnickle. Credito:I. Pittalwala, UC Riverside.
I risultati dello studio appaiono oggi in Nanotecnologia della natura .
"L'elettrone in WSe 2 inizialmente eccitato dal fotone ha un'energia bassa rispetto a WSe 2 , " disse Fatemeh Barati, uno studente laureato nel laboratorio di optoelettronica dei materiali quantistici di Gabor e il co-primo autore del documento di ricerca. "Con l'applicazione di un piccolo campo elettrico, si trasferisce a MoSe 2 , dove la sua energia, rispetto a questo nuovo materiale, è alto. Significato, ora può perdere energia. Questa energia viene dissipata come energia cinetica che rimuove l'elettrone aggiuntivo da WSe 2 ."
Nei modelli di pannelli solari esistenti, un fotone può generare al massimo un elettrone. Nel prototipo sviluppato dai ricercatori, un fotone può generare due o più elettroni attraverso un processo chiamato moltiplicazione di elettroni.
I ricercatori hanno spiegato che nei materiali ultrapiccoli, gli elettroni si comportano come onde. Sebbene non sia intuitivo su larga scala, il processo di generazione di due elettroni da un fotone è perfettamente ammissibile su scale di lunghezza estremamente ridotte. Quando un materiale, come WSe 2 o MoSe 2 , si assottiglia a dimensioni vicine alla lunghezza d'onda dell'elettrone, le proprietà del materiale iniziano a cambiare inspiegabilmente, imprevedibile, e vie misteriose.
"È come un'onda bloccata tra i muri che si avvicinano, " Disse Gabor. "Meccanicamente quantistica, questo cambia tutte le scale. La combinazione di due diversi materiali ultra piccoli dà origine a un processo di moltiplicazione completamente nuovo. Due più due fa cinque".
"Idealmente, in una cella solare vorremmo che la luce che entra si trasformi in diversi elettroni, " ha detto Max Grossnickle, anche uno studente laureato nel laboratorio di Gabor e co-autore del documento di ricerca. "Il nostro documento mostra che questo è possibile".
Barati ha notato che si potrebbero generare più elettroni anche aumentando la temperatura del dispositivo.
"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, " Egli ha detto.
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, dire, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."
