原型显示了微型光电探测器如何将效率提高一倍

加州大学河滨分校的物理学家开发了一种光电探测器 - 一种感应光的装置 - 通过结合两种不同的无机材料并产生可以彻底改变太阳能收集方式的量子力学过程。

光电探测器几乎无处不在,可以在相机,手机,遥控器,太阳能电池甚至是航天飞机的面板中找到。这些微型器件仅测量微米,将光转换为电子,随后的运动产生电子信号。自发明以来,提高光电转换效率一直是光电探测器构造的主要目标之一。

实验室研究人员将两个原子层的二硒化钨(WSe 2)堆叠在单一的二硒化钼原子层(MoSe 2)上。这种堆叠导致与母层的性质大不相同的特性,允许以最小的规模进行定制的电子工程。

在原子内,电子生活在决定其能量水平的状态中。当电子从一种状态移动到另一种状态时,它们会获得或失去能量。超过一定的能级,电子可以自由移动。移动到较低能量状态的电子可以转移足够的能量以敲除另一个电子。

加州大学河滨分校的物理学家观察到,当一个光子撞击WSe 2层时,它会敲击一个电子,使其释放通过WSe 2。在WSe 2 和MoSe 2之间的连接处,电子下降到MoSe 2中。然后释放的能量将来自WSe 2的第二电子投射 到MoSe 2中,其中两个电子都自由移动并发电。

“我们正在看到一种新现象,” 负责该研究小组的物理学助理教授 纳撒尼尔·M·加博尔说 。“通常,当电子在能量状态之间跳跃时,它会浪费能量。在我们的实验中,废物能量反而产生另一个电子,使其效率翻倍。了解这些工艺,以及超越理论效率限制的改进设计,将在设计新的超高效光伏器件方面具有广泛的意义。“

研究结果 今天出现在 Nature Nanotechnology上。

“ 最初由光子激发的WSe 2中的电子具有相对于WSe 2较低的能量,” Gabor 量子材料光电子实验室的研究生 和该研究论文的共同第一作者Fatemeh Barati 说 。“随着小电场的应用,它转移到MoSe 2,其中相对于这种新材料的能量很高。意思是,它现在可以失去能量。这种能量作为动能消散,从WSe 2驱逐附加电子。“

在现有的太阳能电池板模型中,一个光子最多可以产生一个电子。在研究人员开发的原型中,一个光子可以通过称为电子倍增的过程产生两个或更多电子。

研究人员解释说,在超小材料中,电子表现得像波浪一样。虽然它在大尺度上是不直观的,但是从一个光子产生两个电子的过程在极小的长度尺度上是完全允许的。当一种材料(如WSe 2 或MoSe 2)变薄到接近电子波长的尺寸时,材料的特性开始以莫名其妙,不可预测和神秘的方式发生变化。

“就像在墙壁之间插入一股波浪,”Gabor说道。“机械量子,这会改变所有尺度。两种不同的超小材料的组合产生了一种全新的倍增过程。两加二等于五。“

“理想情况下,在太阳能电池中,我们希望光进入多个电子,” Max Grossnickle说 ,他也是Gabor实验室的研究生和研究论文的共同第一作者。“我们的论文表明这是可能的。”

Barati指出,通过提高设备的温度也可以产生更多的电子。

“我们看到设备中的电子在340开氏度(150华氏度)时翻了一倍,这略高于室温,”她说。“很少有材料在室温附近显示出这种现象。随着我们提高这个温度,我们应该看到电子的倍增。“

传统光电池器件中的电子倍增通常需要施加10-100伏的电压。为了观察电子的倍增,研究人员仅使用1.2伏电压,即AA电池提供的典型电压。

“这种低电压操作,因此功耗低,可能预示着光电探测器和太阳能电池材料设计的革命性方向,”Grossnickle说。

他解释说,光伏器件的效率取决于简单的竞争:光能转换成废热或有用的电能。

他说:“超薄材料可以通过同时限制热量产生,同时增加电子功率,从而在竞争中取得平衡。”

Gabor解释说,他的团队在他们的装置中观察到的量子力学现象与当宇宙射线以高动能与地球大气接触时产生一系列新粒子时发生的相似。

他推测该团队的研究结果可能会以不可预见的方式找到应用程序。

“这些材料只是原子厚度,几乎是透明的,”他说。“可以想象,有一天我们可能会将它们包含在油漆或太阳能电池中,并入窗户。由于这些材料是柔性的,我们可以设想它们在可穿戴光伏器件中的应用,材料被整合到织物中。比方说,我们可以拥有能够产生能量的能源 - 能量收获技术基本上是看不见的。“

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