2-D materialer øger bærermultiplikationen

Fysikere ved Center for Integreret Nanostructure Physics (CINAP), inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), har opdaget et spændende fænomen, kendt som bærermultiplikation (CM), i en klasse af halvledere med utrolig tyndhed, fremragende ejendomme, og mulige anvendelser inden for elektronik og optik. Udgivet i Naturkommunikation, disse nye fund har potentiale til at øge solcellerne og fotodetektorfelterne, og kunne forbedre effektiviteten af ​​solceller produceret med disse ultratynde materialer til op til 46%.

En interessant klasse af 2-D materialer, van der Waals lagdelte overgangsmetalldichalcogenider (2-D TMD'er), forventes at skabe den næste generation af optoelektroniske enheder, såsom solceller, transistorer, lysdioder (LED), osv. De består af individuelle tynde lag adskilt af meget svage kemiske bindinger (van der Waals -bindinger), og har unikke optiske egenskaber, høj lysabsorbering, og høj mobilitet (elektron og hul). Udover at tillade muligheden for at indstille deres båndgab ved at ændre sammensætning og lagtykkelse, disse materialer tilbyder også en ultrahøj intern strålingseffektivitet på> 99%, fremmes ved fjernelse af overfladefejl og stor bindingsenergi mellem bærere.

Absorption af sollys i halvledende 2-D TMD-monolag når typisk 5-10%, som er en størrelsesorden større end den i de fleste almindelige fotovoltaiske materialer, som silicium, cadmiumtellurid, og galliumarsenid. På trods af disse ideelle egenskaber, imidlertid, den maksimale effektkonverteringseffektivitet for 2-D-TMDs solceller er forblevet under 5% på grund af tab ved metalelektroderne. IBS -teamet i samarbejde med forskere ved University of Amsterdam havde til formål at overvinde denne ulempe ved at undersøge CM -processen i disse materialer.

CM er en meget effektiv måde at konvertere lys til elektricitet. En enkelt foton ophidser normalt en enkelt elektron, efterlader et 'tomt rum' (hul). Imidlertid, det er muligt at generere to eller flere elektronhulspar i særdeleshed halvledere, hvis energien fra det indfaldende lys er tilstrækkelig stor, mere specifikt, hvis fotonergien er det dobbelte af materialets båndgap energi. Selvom CM -fænomenet er ret ineffektivt i bulk halvledere, det forventedes at være meget effektivt i 2-D materialer, men blev ikke bevist eksperimentelt på grund af nogle tekniske begrænsninger, som korrekt 2-D TMD-syntese og ultrahurtig optisk måling. I dette studie, holdet observerede CM i 2-D TMD'er, nemlig 2H-MoTe ₂ og 2H-WSe ₂ film, for første gang; et fund, der forventes at forbedre den nuværende effektivitet af 2-D TMD solceller, endda gå ud over Shockley-Queisser-grænsen på 33,7%.

"Vores nye resultater bidrager til den grundlæggende forståelse af CM-fænomenet i 2-D-TMD. Hvis man overvinder kontakttabet og lykkes med at udvikle fotovoltaik med CM, deres maksimale effektkonverteringseffektivitet kan øges op til 46%, "siger Young Hee Lee, CINAP direktør. "Denne nye nanomaterialeteknik giver mulighed for en ny generation af effektive, holdbar, og fleksible solceller. "