Confronto della fotoluminescenza di diversi spessori di diseleniuro di molibdeno. Il campione a strato singolo ha il valore di fotoluminescenza più alto a causa del suo gap di banda diretto. Credito immagine:Tongay, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org)—Nel suo cuore, La ricerca sul fotovoltaico consiste nel trovare materiali con proprietà specifiche che li rendano adatti ad assorbire la luce solare e convertirla in elettricità. I migliori materiali fotovoltaici sono semiconduttori che hanno valori di band gap ottimali che vanno da 1-1,6 eV, consentendo loro di assorbire particolari porzioni dello spettro solare in funzione del valore del band gap. In un nuovo studio, gli scienziati dei materiali hanno sintetizzato e caratterizzato un nuovo materiale semiconduttore che consiste in uno strato atomicamente sottile (0,7 nm) di selenio e molibdeno che ha una banda proibita ideale per applicazioni di raccolta solare e optoelettronica, e mostra anche un comportamento unico.
I ricercatori, un team dell'Università della California, Berkeley; MIT; e l'Accademia cinese delle scienze, hanno pubblicato il loro studio in un recente numero di Nano lettere .
"Qui, abbiamo isolato singoli strati di diseleniuro di molibdeno (MoSe 2 ) e hanno mostrato il loro promettente valore di band gap di 1,5 eV per la raccolta solare e possibilmente altre applicazioni optoelettroniche, " coautore Junqiao Wu, professore all'Università della California, Berkeley, detto Phys.org . "Secondo il limite di Shockley-Queisser per la massima efficienza teorica dei semiconduttori delle celle solari, i semiconduttori con band gap tra 1 e 1,6 eV hanno il maggior potenziale per formare una cella efficiente. Questo perché una banda proibita più ampia non sarebbe in grado di assorbire fotoni a bassa energia (e quindi la fotocorrente sarebbe bassa), e una banda proibita più stretta perderebbe troppi fotoni ad alta energia per riscaldarsi (e quindi la fototensione sarebbe bassa). Siamo all'interno di questo intervallo nel limite del singolo strato".
Oltre al suo attraente gap di banda, MoSe 2 è anche attraente a causa di un'altra proprietà insolita:ha band gap diretti e indiretti quasi degenerati nel limite di pochi strati, cioè., i band gap diretti e indiretti hanno quasi la stessa energia nel limite di pochi strati. Sebbene i materiali con band gap sia diretti che indiretti possano assorbire fotoni la cui energia è vicina all'energia band gap, i materiali con band gap diretti non consentono ai fotoni di penetrare così lontano, che li rende assorbitori di luce migliori (e di solito più sottili) rispetto ai materiali con band gap indiretti.
Immagine AFM di un fiocco di diseleniuro di molibdeno monostrato. Credito immagine:Tongay, et al. ©2012 American Chemical Society
MoSe 2 , come la maggior parte degli altri calcogenuri di metalli di transizione, ha un band gap indiretto in forma bulk e un band gap diretto come singolo strato bidimensionale. Tipicamente, per trasformare il band gap indiretto in band gap diretto, un singolo strato deve essere fisicamente isolato da un pezzo di materiale sfuso.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che potevano cambiare il band gap indiretto in un pezzo a pochi strati di MoSe 2 ad un band gap diretto semplicemente aumentando la temperatura. Come spiegano i ricercatori, l'aumento della temperatura a 100 ° C (212 ° F) fa sì che i molteplici strati del materiale si disaccoppiano termicamente l'uno dall'altro a causa dell'espansione termica dello spazio tra gli strati. Essenzialmente, i più strati agiscono ciascuno come strati individuali con bande divaricate dirette. Il disaccoppiamento solleva la degenerazione in modo che il materiale diventi una banda più diretta e più luminescente.
Poiché molti calcogenuri di metalli di transizione possiedono un gap di banda indiretto in forma sfusa e diventano diretti come un singolo strato, ci si potrebbe aspettare che anche altri materiali possano cambiare i loro intervalli di banda cambiando la temperatura. Però, quando gli scienziati hanno testato un materiale simile, bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ), hanno scoperto che, anche se l'aumento della temperatura ha ampliato la distanza tra gli strati come ha fatto in MoSe 2 , il suo gap di banda è rimasto indiretto nella forma a pochi strati, a differenza del caso di MoSe 2 .
Questa differenza è dovuta a MoSe 2 avente una differenza minore (circa la metà) tra i valori del suo band gap indiretto e band gap diretto rispetto a quello di MoS 2 . Una maggiore differenza di energia per MoS 2 significa che il suo band gap è tutt'altro che degenere e i suoi strati non possono essere termicamente disaccoppiati dal punto di vista ottico; l'unico modo per cambiare il band gap in diretto sarebbe quello di isolare fisicamente un singolo strato dalla massa.
Finora, sembra che MoSe 2 è l'unico materiale che cambia il suo tipo di banda proibita a causa di un cambiamento di temperatura. Però, i ricercatori pensano che ci siano altri materiali bidimensionali con valori di band gap indiretti e diretti quasi degeneri che potrebbero comportarsi in modo simile.
"MoSe 2 è speciale nel senso che i suoi valori di band gap indiretti e diretti sono già vicini in valore, ed è bastato un piccolo aumento di temperatura per disaccoppiare leggermente gli strati l'uno dall'altro e spingerlo verso il regime di band gap diretto, ", ha affermato il coautore Sefaattin Tongay dell'Università della California, Berkeley.
La capacità di controllare il band gap di MoSe 2 , insieme al suo attraente gap di banda diretto da 1,5 eV in forma a strato singolo, rende il materiale attraente per applicazioni inclusa la conversione dell'energia solare in celle solari a giunzione singola, LED, dispositivi optoelettronici, e celle fotoelettrochimiche. MoSe 2 le membrane possono anche essere utilizzate per funzionalizzare la superficie di altri materiali per formare efficienti strutture di raccolta solare.
"Attualmente, stiamo progettando semiconduttori bidimensionali funzionali e stiamo esplorando ciò che questi materiali possono offrire, " Ha detto Tongay. "Vogliamo trovare applicazioni ed esplorare nuova fisica in dimensioni ridotte".
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