Comparación de la fotoluminiscencia de diferentes espesores de diselenuro de molibdeno. La muestra de una sola capa tiene el valor de fotoluminiscencia más alto debido a su banda prohibida directa. Crédito de la imagen:Tongay, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —En el fondo, La investigación en energía fotovoltaica trata de encontrar materiales con propiedades específicas que los hagan buenos para absorber la luz solar y convertirla en electricidad. Los mejores materiales fotovoltaicos son semiconductores que tienen valores óptimos de banda prohibida que van desde 1-1,6 eV, permitiéndoles absorber porciones particulares del espectro solar dependiendo del valor de la banda prohibida. En un nuevo estudio, Los científicos de materiales han sintetizado y caracterizado un nuevo material semiconductor que consiste en una capa atómicamente delgada (0,7 nm) de selenio y molibdeno que tiene una banda prohibida ideal para aplicaciones de captación solar y optoelectrónica. y también exhibe un comportamiento único.
Los investigadores, un equipo de la Universidad de California, Berkeley; MIT; y la Academia de Ciencias de China, han publicado su estudio en un número reciente de Nano letras .
"Aquí, hemos aislado capas individuales de diselenuro de molibdeno (MoSe 2 ) y mostraron su prometedor valor de banda prohibida de 1,5 eV para la captación solar y posiblemente otras aplicaciones optoelectrónicas, "coautor Junqiao Wu, profesor de la Universidad de California, Berkeley, dicho Phys.org . "De acuerdo con el límite de Shockley-Queisser para la eficiencia máxima teórica de los semiconductores de células solares, los semiconductores con intervalos de banda entre 1 y 1,6 eV tienen el mayor potencial para formar una celda eficiente. Esto se debe a que una banda prohibida más amplia no podría absorber fotones de baja energía (y, por lo tanto, la fotocorriente sería baja), y una banda prohibida más estrecha perdería demasiados fotones de alta energía para calentar (y por lo tanto el fotovoltaje sería bajo). Estamos dentro de este rango en el límite de una sola capa ".
Además de su atractivo band gap, MoSe 2 también es atractivo debido a otra propiedad inusual:tiene brechas de banda directas e indirectas casi degeneradas en el límite de pocas capas, es decir., los huecos de banda directos e indirectos tienen casi la misma energía en el límite de pocas capas. Aunque los materiales con banda prohibida tanto directa como indirecta pueden absorber fotones cuya energía está cerca de la energía de banda prohibida, Los materiales con espacios de banda directos no permiten que los fotones penetren tanto, lo que los hace mejores (y generalmente más delgados) absorbentes de luz que los materiales con espacios de banda indirectos.
Imagen AFM de una escama de diselenuro de molibdeno de una sola capa. Crédito de la imagen:Tongay, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
MoSe 2 , como la mayoría de los otros calcogenuros de metales de transición, tiene una banda prohibida indirecta en forma masiva y una banda prohibida directa como una capa única bidimensional. Típicamente, para transformar la banda prohibida indirecta en una banda prohibida directa, una sola capa debe estar físicamente aislada de una pieza de material a granel.
En el nuevo estudio, los investigadores encontraron que podían cambiar la banda prohibida indirecta en una pieza de MoSe de pocas capas 2 a una banda prohibida directa simplemente aumentando la temperatura. Como explican los investigadores, el aumento de la temperatura a 100 ° C (212 ° F) hace que las múltiples capas del material se desacoplen térmicamente entre sí debido a la expansión térmica del espacio entre capas. Esencialmente, las múltiples capas actúan cada una como capas individuales con espacios de banda directos. El desacoplamiento elimina la degeneración para que el material se vuelva más directo y luminiscente.
Dado que muchos calcogenuros de metales de transición poseen una banda prohibida indirecta en forma masiva y se vuelven directos como una sola capa, Cabría esperar que otros materiales también pudieran cambiar sus espacios de banda cambiando la temperatura. Sin embargo, cuando los científicos probaron un material similar, disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), ellos encontraron que, a pesar de que el aumento de la temperatura expandió la distancia entre capas como lo hizo en MoSe 2 , su banda prohibida permaneció indirecta en la forma de pocas capas, a diferencia del caso de MoSe 2 .
Esta diferencia se debe a MoSe 2 tener una diferencia más pequeña (aproximadamente la mitad) entre los valores de su banda prohibida indirecta y su banda prohibida directa en comparación con los de MoS 2 . Una mayor diferencia de energía para MoS 2 significa que su banda prohibida está lejos de estar degenerada y sus capas no pueden desacoplarse térmicamente desde el punto de vista óptico; la única forma de cambiar la banda prohibida a directa sería aislar físicamente una sola capa del volumen.
Hasta aquí, parece que MoSe 2 es el único material que cambia su tipo de banda prohibida debido a un cambio de temperatura. Sin embargo, los investigadores piensan que hay otros materiales bidimensionales con valores de banda prohibida directa e indirecta casi degenerados que pueden comportarse de manera similar.
"MoSe 2 es especial en el sentido de que sus valores de banda prohibida indirecta y directa ya tienen un valor cercano, y un pequeño aumento de temperatura fue suficiente para desacoplar ligeramente las capas entre sí y empujarlas hacia el régimen de banda prohibida directa, "dijo el coautor Sefaattin Tongay de la Universidad de California, Berkeley.
La capacidad de controlar la banda prohibida de MoSe 2 , junto con su atractiva banda prohibida directa de 1,5 eV en forma de una sola capa, hace que el material sea atractivo para aplicaciones que incluyen la conversión de energía solar en células solares de unión única, LEDs, dispositivos optoelectrónicos, y células fotoelectroquímicas. MoSe 2 Las membranas también se pueden utilizar para funcionalizar la superficie de otros materiales para formar estructuras de captación solar eficientes.
"En la actualidad, estamos diseñando semiconductores bidimensionales funcionales y explorando lo que estos materiales pueden ofrecer, ", Dijo Tongay." Queremos encontrar aplicaciones y explorar nueva física en dimensiones reducidas ".
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