I dispositivi fotovoltaici supersottili sono alla base della tecnologia solare e pertanto si ricercano avidamente guadagni nell'efficienza della loro produzione. I ricercatori KAUST hanno combinato e riorganizzato diversi semiconduttori per creare le cosiddette eterogiunzioni laterali p-n, un processo più semplice che sperano trasformerà la fabbricazione delle celle solari, nanoelettronica autoalimentata e ultrasottile, trasparente, dispositivi flessibili.

Monostrati semiconduttori bidimensionali, come grafene e dicalcogenuri di metalli di transizione come WSe2 e MoS2, hanno proprietà elettriche e ottiche uniche che li rendono potenziali alternative ai materiali convenzionali a base di silicio. I recenti progressi nella crescita dei materiali e nelle tecniche di trasferimento hanno permesso agli scienziati di manipolare questi monostrati. Nello specifico, l'impilamento verticale ha portato a dispositivi fotovoltaici ultrasottili ma richiede più passaggi di trasferimento complessi. Questi passaggi sono ostacolati da vari problemi, come la formazione di contaminanti e difetti all'interfaccia del monostrato, che limitano la qualità del dispositivo.

"I dispositivi ottenuti utilizzando queste tecniche di trasferimento sono generalmente instabili e variano da campione a campione, " dice il ricercatore capo ed ex studente in visita del Professore Associato, Jr-Hau He, Meng-Lin Tsai, il quale aggiunge che i contaminanti legati al trasferimento influiscono in modo significativo sull'affidabilità del dispositivo. Anche le proprietà elettroniche si sono rivelate difficili da controllare mediante l'impilamento verticale.

Per sfruttare appieno le eccezionali proprietà di questi materiali bidimensionali, La squadra di Tsai, sotto la guida di Lui, ha creato monostrati con eterogiunzioni laterali WSe2-MoS2 e li ha incorporati nelle celle solari. Sotto la luce solare simulata, le celle hanno raggiunto una maggiore efficienza di conversione della potenza rispetto ai loro equivalenti impilati verticalmente.

Per fare questo, prima i ricercatori hanno sintetizzato le eterogiunzioni depositando consecutivamente WSe2 e MoS2 su un substrato di zaffiro. Prossimo, hanno trasferito i materiali su una superficie a base di silicio per la fabbricazione di dispositivi fotovoltaici.

La microscopia ad alta risoluzione ha rivelato che la giunzione laterale mostrava una netta separazione tra i semiconduttori all'interfaccia. Anche, i ricercatori non hanno rilevato differenze di altezza percepibili tra le regioni dei semiconduttori, coerente con un'interfaccia atomicamente sottile.

Queste caratteristiche interfacciali hanno segnalato il successo. "Le nostre strutture sono più pulite e ideali rispetto agli assemblaggi impilati verticalmente perché non avevamo bisogno della procedura di trasferimento in più fasi, " spiega Tsai.

Per di più, le eterogiunzioni laterali hanno per lo più mantenuto la loro efficienza nonostante le modifiche all'orientamento della luce incidente. Essere in grado di prendere la luce proveniente da qualsiasi direzione significa che i costosi sistemi di inseguimento solare diventeranno ridondanti.

Secondo Tsai, l'implementazione di eterogiunzioni laterali in circuiti e interconnessioni più complessi può portare a prestazioni più elevate rispetto alle celle solari convenzionali e quindi il team sta lavorando ai passaggi successivi. "Stiamo cercando di capire la cinetica e la termodinamica sottostanti di queste eterogiunzioni per progettare celle più efficienti, " Aggiunge.