Ny todimensionel halvleder har ideel båndgab til solfangst

(Phys.org) – I sit hjerte, solcelleforskning handler om at finde materialer med specifikke egenskaber, der gør dem gode til at absorbere sollys og omdanne det til elektricitet. De bedste solcellematerialer er halvledere, der har optimale båndgab-værdier fra 1-1,6 eV, giver dem mulighed for at absorbere bestemte dele af solspektret afhængigt af værdien af ​​båndgabet. I en ny undersøgelse, materialeforskere har syntetiseret og karakteriseret et nyt halvledermateriale, der består af et atomisk tyndt (0,7-nm) lag af selen og molybdæn, der har et ideelt båndgab til solfangst og optoelektronik. og udviser også noget unik adfærd.

Forskerne, et hold fra University of California, Berkeley; MIT; og det kinesiske videnskabsakademi, har offentliggjort deres undersøgelse i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Her, vi har isoleret enkeltlag af molybdændiselenid (MoSe ₂ ) og viste deres lovende båndgab-værdi på 1,5 eV til solfangst og muligvis andre optoelektronikapplikationer, " medforfatter Junqiao Wu, professor ved University of California, Berkeley, fortalte Phys.org . "Ifølge Shockley-Queisser-grænsen for den teoretiske maksimale effektivitet af solcellehalvledere, Halvledere med båndgab mellem 1 og 1,6 eV har det største potentiale til at danne en effektiv celle. Dette skyldes, at et bredere båndgab ikke ville være i stand til at absorbere lavenergifotoner (og dermed ville fotostrømmen være lav), og et smallere båndgab ville miste for mange højenergifotoner til opvarmning (og dermed ville fotospændingen være lav). Vi er inden for dette interval i enkeltlagsgrænsen."

Ud over dets tiltalende bandgab, MoSe ₂ er også attraktiv på grund af en anden usædvanlig egenskab:den har næsten degenererede direkte og indirekte båndgab i få-lagsgrænsen, dvs. de direkte og indirekte båndgab har næsten samme energi i fålagsgrænsen. Selvom materialer med både direkte og indirekte båndgab kan absorbere fotoner, hvis energi er tæt på båndgabenergien, materialer med direkte båndmellemrum tillader ikke fotoner at trænge så langt ind, hvilket gør dem bedre (og normalt tyndere) lysabsorberende end materialer med indirekte båndspalter.

MoSe ₂ , ligesom de fleste andre overgangsmetal-chalcogenider, har et indirekte båndgab i bulkform og et direkte båndgab som et todimensionelt enkeltlag. Typisk, for at transformere det indirekte båndgab til et direkte båndgab, et enkelt lag skal være fysisk isoleret fra et stykke bulkmateriale.

I den nye undersøgelse, forskerne fandt ud af, at de kunne skifte det indirekte båndgab i et få-lags stykke MoSe ₂ til et direkte båndgab blot ved at øge temperaturen. Som forskerne forklarer, forøgelse af temperaturen til 100 °C (212 °F) får de flere lag af materialet til at termisk adskilles fra hinanden på grund af termisk udvidelse af rummet mellem lagene. I det væsentlige, de multiple lag fungerer hver som individuelle lag med direkte båndgab. Afkobling løfter degenerationen, så materialet bliver mere direkte bånd og mere selvlysende.

Da mange overgangsmetalchalcogenider har et indirekte båndgab i bulkform og bliver direkte som et enkelt lag, det kunne forventes, at andre materialer også kunne få deres båndgab skiftet ved at ændre temperaturen. Imidlertid, da forskerne testede et lignende materiale, molybdændisulfid (MoS ₂ ), de fandt det, selvom en stigning i temperaturen udvidede mellemlagsafstanden, som den gjorde i MoSe ₂ , dens båndgab forblev indirekte i få-lagsformen, i modsætning til tilfældet med MoSe ₂ .

Denne forskel skyldes MoSe ₂ have en mindre forskel (ca. halvdelen) mellem værdierne af dets indirekte båndgab og direkte båndgab sammenlignet med MoS ₂ . En større energiforskel for MoS ₂ betyder, at dets båndgab langt fra er degenereret, og at dets lag ikke kan afkobles termisk fra et optisk synspunkt; den eneste måde at ændre båndgabet til direkte ville være fysisk at isolere et enkelt lag fra bulken.

Indtil nu, det ser ud til, at MoSe ₂ er det eneste materiale, der ændrer sin båndgab-type på grund af en temperaturændring. Imidlertid, forskerne mener, at der er andre todimensionelle materialer med næsten degenererede indirekte og direkte båndgab-værdier, som kan opføre sig på lignende måde.

"MoSe ₂ er speciel i den forstand, at dens indirekte og direkte båndgab-værdier allerede er tæt på i værdi, og en lille stigning i temperaturen var nok til lidt at afkoble lagene fra hinanden og skubbe det mod det direkte båndgab-regime, " sagde medforfatter Sefaattin Tongay fra University of California, Berkeley.

Evnen til at kontrollere båndgabet i MoSe ₂ , sammen med dens attraktive 1,5 eV direkte båndgab i enkeltlagsform, gør materialet tiltalende til anvendelser, herunder solenergikonvertering i solceller med enkelt kryds, LED'er, optoelektroniske enheder, og fotoelektrokemiske celler. MoSe ₂ Membraner kan også bruges til at funktionalisere overfladen af ​​andre materialer for at danne effektive solfangststrukturer.

"I øjeblikket, vi designer funktionelle todimensionelle halvledere og undersøger, hvad disse materialer kan tilbyde, "Tongay sagde. "Vi ønsker at finde applikationer og udforske ny fysik i reducerede dimensioner."

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.