Fisici presso il Centro di Fisica delle Nanostrutture Integrate (CINAP), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), hanno scoperto un fenomeno intrigante, noto come moltiplicazione di portanti (CM), in una classe di semiconduttori dall'incredibile sottigliezza, proprietà eccezionali, e possibili applicazioni in elettronica e ottica. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura, queste nuove scoperte hanno il potenziale per potenziare i campi del fotovoltaico e dei fotorivelatori, e potrebbe migliorare l'efficienza delle celle solari prodotte con questi materiali ultrasottili fino al 46%.

Un'interessante classe di materiali 2-D, i dicalcogenuri di metalli di transizione a strati di van der Waals (2-D TMD), dovrebbero creare la prossima generazione di dispositivi optoelettronici, come le celle solari, transistor, diodi emettitori di luce (LED), ecc. Sono costituiti da singoli strati sottili separati da legami chimici molto deboli (legami di van der Waals), e hanno proprietà ottiche uniche, elevato assorbimento della luce, ed elevata mobilità dei portatori (elettroni e fori). Oltre a consentire la possibilità di regolare il loro gap di banda modificando la composizione e lo spessore dello strato, questi materiali offrono anche un'efficienza radiativa interna ultraelevata di> 99%, promosso dall'eliminazione delle imperfezioni superficiali e dalla grande energia di legame tra i vettori.

L'assorbimento della luce solare nei monostrati TMD 2-D semiconduttori raggiunge in genere il 5-10%, che è un ordine di grandezza maggiore di quello dei materiali fotovoltaici più comuni, come il silicio, tellururo di cadmio, e arseniuro di gallio. Nonostante queste caratteristiche ideali, però, la massima efficienza di conversione di potenza delle celle solari 2-D-TMD è rimasta al di sotto del 5% a causa delle perdite agli elettrodi metallici. Il team di IBS, in collaborazione con i ricercatori dell'Università di Amsterdam, mirava a superare questo inconveniente esplorando il processo CM in questi materiali.

CM è un modo molto efficiente per convertire la luce in elettricità. Un singolo fotone di solito eccita un singolo elettrone, lasciando uno 'spazio vuoto' (buco). Però, è possibile generare due o più coppie elettrone-lacuna in particolari semiconduttori se l'energia della luce incidente è sufficientemente grande, più specificamente, se l'energia del fotone è il doppio dell'energia del bandgap del materiale. Mentre il fenomeno CM è piuttosto inefficiente nei semiconduttori sfusi, ci si aspettava che fosse molto efficiente nei materiali 2-D, ma non è stato provato sperimentalmente a causa di alcune limitazioni tecniche, come una corretta sintesi TMD 2-D e una misurazione ottica ultraveloce. In questo studio, il team ha osservato la CM nei TMD 2-D, vale a dire 2H-MoTe ₂ e 2H-WSe ₂ film, per la prima volta; una scoperta che dovrebbe migliorare l'attuale efficienza delle celle solari TMD 2-D, anche andando oltre il limite Shockley-Queisser del 33,7%.

"I nostri nuovi risultati contribuiscono alla comprensione fondamentale del fenomeno CM in 2-D-TMD. Se si superano le perdite di contatto e si riesce a sviluppare il fotovoltaico con CM, la loro massima efficienza di conversione della potenza potrebbe essere aumentata fino al 46%, "dice il giovane Hee Lee, Direttore CINAP. "Questa nuova ingegneria dei nanomateriali offre la possibilità per una nuova generazione di efficienti, durevole, e celle solari flessibili."