2D materialer kombinerer, bliver polariseret og giver anledning til fotovoltaisk effekt

For første gang, forskere har opdaget en måde at opnå polaritet og fotovoltaisk adfærd fra visse ikke-fotovoltaiske, atomisk flade (2D) materialer. Nøglen ligger i den særlige måde, hvorpå materialerne er arrangeret. Den resulterende effekt er forskellig fra, og potentielt overlegen i forhold til, den fotovoltaiske effekt, der almindeligvis findes i solceller.

Solenergi betragtes som en nøgleteknologi i bevægelsen væk fra fossile brændstoffer. Forskere udvikler løbende mere effektive metoder til at generere solenergi. Og mange af disse innovationer kommer fra materialeforskningens verden. Forskningsassistent Toshiya Ideue fra Tokyos universitets afdeling for anvendt fysik og hans team er interesserede i de fotovoltaiske egenskaber af 2D-materialer og deres grænseflader, hvor disse materialer mødes.

"Ret ofte, grænseflader af flere 2D-materialer udviser forskellige egenskaber til de individuelle krystaller alene, " sagde Ideue. "Vi har opdaget, at to specifikke materialer, som normalt ikke udviser nogen fotovoltaisk effekt, gør det, når de stables på en meget speciel måde."

De to materialer er wolframselenid (WSe ₂ ) og sort fosfor (BP), som begge har forskellige krystalstrukturer. Oprindeligt, begge materialer er upolære (har ikke en foretrukken ledningsretning) og genererer ikke en fotostrøm under lys. Imidlertid, Ideue og hans team fandt det ved at stable ark med WSe ₂ og BP sammen på den rigtige måde, prøven udviste polarisering, og når der blev kastet lys på materialet, det genererede en strøm. Effekten finder sted, selvom belysningsområdet er langt fra elektroderne i hver ende af prøven; dette er forskelligt fra hvordan den almindelige solcelleeffekt virker.

Nøglen til denne adfærd er måden WSe på ₂ og BP er justeret. Den krystallinske struktur af BP har reflekterende, eller spejl, symmetri i ét plan, hvorimod WSe ₂ har tre linjer med spejlsymmetri. Når materialernes symmetrilinjer flugter, prøven får polaritet. Denne form for lagstabling er delikat arbejde, men det afslører også for forskerne nye egenskaber og funktioner, som ikke kunne forudsiges blot ved at se på materialernes almindelige form.

"Den største udfordring for os bliver at finde en god kombination af 2D-materialer med højere elproduktionseffektivitet og også at studere effekten af ​​at ændre vinklerne på stakkene, " sagde Ideue. "Men det er så givende at opdage aldrig før sete nye egenskaber ved materialer. Forhåbentlig, en dag kunne denne forskning forbedre solpaneler. Vi vil gerne udforske flere hidtil usete egenskaber og funktionaliteter i nanomaterialer."

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab .