Prototypen viser, hvordan små fotodetektorer kan fordoble deres effektivitet

Fysikere ved University of California, Riverside har udviklet en fotodetektor - en enhed, der registrerer lys - ved at kombinere to forskellige uorganiske materialer og producere kvantemekaniske processer, der kan revolutionere den måde, solenergi opsamles på.

Fotodetektorer er næsten allestedsnærværende, fundet i kameraer, mobiltelefoner, fjernbetjeninger, solceller, og endda panelerne på rumfærger. Måler kun mikron på tværs, disse små enheder omdanner lys til elektroner, hvis efterfølgende bevægelse genererer et elektronisk signal. At øge effektiviteten af ​​lys-til-elektricitet-konvertering har været et af de primære mål i fotodetektorkonstruktion siden deres opfindelse.

Laboratorieforskere stablede to atomlag af wolframdiselenid (WSe ₂ ) på et enkelt atomlag af molybdændiselenid (MoSe ₂ ). Sådan stabling resulterer i egenskaber, der er vidt forskellige fra moderlagenes, giver mulighed for tilpasset elektronisk teknik i mindst mulig skala.

Inden for atomer, elektroner lever i tilstande, der bestemmer deres energiniveau. Når elektroner bevæger sig fra en tilstand til en anden, de enten erhverver eller mister energi. Over et vist energiniveau, elektroner kan bevæge sig frit. En elektron, der bevæger sig ind i en lavere energitilstand, kan overføre nok energi til at slå en anden elektron løs.

UC Riverside fysikere observerede, at når en foton rammer WSe ₂ lag, det slår en elektron løs, frigør det til at udføre gennem WSe ₂ . I krydset mellem WSe ₂ og MoSe ₂ , elektronen falder ned i MoSe ₂ . Den energi, der afgives, katapulterer derefter en anden elektron fra WSe ₂ ind i MoSe ₂ , hvor begge elektroner bliver frie til at bevæge sig og generere elektricitet.

"Vi ser et nyt fænomen opstå, " sagde Nathaniel M. Gabor, en adjunkt i fysik, der ledede forskerholdet. "Normalt, når en elektron hopper mellem energitilstande, det spilder energi. I vores eksperiment, spildenergien skaber i stedet en anden elektron, fordoble dens effektivitet. Forstå sådanne processer, sammen med forbedrede designs, der skubber ud over de teoretiske effektivitetsgrænser, vil have en bred betydning med hensyn til at designe nye ultraeffektive solcelleanlæg."

Undersøgelsesresultater vises i dag i Natur nanoteknologi .

"Elektronen i WSe ₂ som oprindeligt aktiveres af fotonen har en energi, der er lav i forhold til WSe ₂ , " sagde Fatemeh Barati, en kandidatstuderende i Gabors Quantum Materials Optoelectronics laboratorium og medførsteforfatteren af ​​forskningspapiret. "Med anvendelse af et lille elektrisk felt, det overføres til MoSe ₂ , hvor dens energi, med hensyn til dette nye materiale, er høj. Betyder, den kan nu miste energi. Denne energi spredes som kinetisk energi, der fjerner den yderligere elektron fra WSe ₂ ."

I eksisterende solpanelmodeller, én foton kan højst generere én elektron. I prototypen udviklede forskerne, en foton kan generere to elektroner eller flere gennem en proces kaldet elektronmultiplikation.

Forskerne forklarede, at i ultrasmå materialer, elektroner opfører sig som bølger. Selvom det er uintuitivt i stor skala, processen med at generere to elektroner fra en foton er helt tilladt på ekstremt små længdeskalaer. Når et materiale, såsom WSe ₂ eller MoSe ₂ , bliver tyndet ned til dimensioner, der nærmer sig elektronens bølgelængde, materialets egenskaber begynder at ændre sig uforklarligt, uforudsigelig, og mystiske måder.

"Det er som en bølge, der sidder fast mellem vægge, der lukker sig ind, " sagde Gabor. "Kvantemekanisk, dette ændrer alle skalaer. Kombinationen af ​​to forskellige ultrasmå materialer giver anledning til en helt ny multiplikationsproces. To plus to er lig med fem."

"Ideelt set i en solcelle ønsker vi, at lys, der kommer ind, bliver til flere elektroner, " sagde Max Grossnickle, also a graduate student in Gabor's lab and the research paper's co-first author. "Our paper shows that this is possible."

Barati noted that more electrons could be generated also by increasing the temperature of the device.

"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, " han sagde.

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.

"Disse materialer, 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, sige, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."