Un diagrama de energía del dispositivo WSe2-MoSe2. Cuando un fotón (1) golpea la capa WSe2, golpea suelto un electrón (2), liberándolo para conducir a través del WSe2 (3). En la unión entre los dos materiales, el electrón desciende a MoSe2 (4). La energía emitida en la gota catapulta un segundo electrón del WSe2 (5) al MoSe2 (6), donde ambos electrones son libres de moverse y generar electricidad. Crédito:Comunicaciones Universitarias, UC Riverside.
Físicos de la Universidad de California, Riverside ha desarrollado un fotodetector, un dispositivo que detecta la luz, combinando dos materiales inorgánicos distintos y produciendo procesos de mecánica cuántica que podrían revolucionar la forma en que se recolecta la energía solar.
Los fotodetectores son casi omnipresentes, encontrado en cámaras, celulares, controles remotos, células solares, e incluso los paneles de los transbordadores espaciales. Midiendo solo micrones de ancho, estos diminutos dispositivos convierten la luz en electrones, cuyo movimiento posterior genera una señal electrónica. Aumentar la eficiencia de la conversión de luz a electricidad ha sido uno de los objetivos principales en la construcción de fotodetectores desde su invención.
Los investigadores del laboratorio apilaron dos capas atómicas de diselenuro de tungsteno (WSe 2 ) en una sola capa atómica de diselenuro de molibdeno (MoSe 2 ). Tal apilamiento da como resultado propiedades muy diferentes de las de las capas principales, permitiendo una ingeniería electrónica personalizada a la escala más pequeña posible.
Dentro de los átomos, los electrones viven en estados que determinan su nivel de energía. Cuando los electrones se mueven de un estado a otro, adquieren o pierden energía. Por encima de un cierto nivel de energía, los electrones pueden moverse libremente. Un electrón que se mueve a un estado de menor energía puede transferir suficiente energía para soltar otro electrón.
Los físicos de UC Riverside observaron que cuando un fotón golpea el WSe 2 capa, golpea suelto un electrón, liberándolo para conducir a través del WSe 2 . En el cruce entre WSe 2 y MoSe 2 , el electrón cae en MoSe 2 . La energía emitida luego catapulta un segundo electrón del WSe. 2 en el MoSe 2 , donde ambos electrones se vuelven libres para moverse y generar electricidad.
"Estamos viendo que se está produciendo un nuevo fenómeno, "dijo Nathaniel M. Gabor, un profesor asistente de física, quien dirigió el equipo de investigación. "Normalmente, cuando un electrón salta entre estados de energía, desperdicia energía. En nuestro experimento, la energía de desperdicio, en cambio, crea otro electrón, duplicando su eficiencia. Entender tales procesos, junto con diseños mejorados que superan los límites teóricos de eficiencia, tendrá una gran importancia en lo que respecta al diseño de nuevos dispositivos fotovoltaicos ultraeficientes ".
Nathaniel Gabor de UC Riverside (izquierda) se ve aquí en su laboratorio de Optoelectrónica de Materiales Cuánticos con sus estudiantes graduados Fatemeh Barati (centro) y Max Grossnickle. Crédito:I. Pittalwala, UC Riverside.
Los resultados del estudio aparecen hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"El electrón en WSe 2 que inicialmente es energizado por el fotón tiene una energía que es baja con respecto a WSe 2 , "dijo Fatemeh Barati, estudiante de posgrado en el laboratorio de optoelectrónica de materiales cuánticos de Gabor y coautor del artículo de investigación. "Con la aplicación de un pequeño campo eléctrico, se transfiere a MoSe 2 , donde su energía, con respecto a este nuevo material, es alto. Sentido, ahora puede perder energía. Esta energía se disipa como energía cinética que desaloja el electrón adicional de WSe. 2 . "
En modelos de paneles solares existentes, un fotón puede generar como máximo un electrón. En el prototipo que desarrollaron los investigadores, un fotón puede generar dos electrones o más mediante un proceso llamado multiplicación de electrones.
Los investigadores explicaron que en materiales ultrapequeños, los electrones se comportan como ondas. Aunque no es intuitivo a gran escala, el proceso de generar dos electrones a partir de un fotón es perfectamente admisible a escalas de longitud extremadamente pequeñas. Cuando un material, como WSe 2 o MoSe 2 , se adelgaza a dimensiones cercanas a la longitud de onda del electrón, las propiedades del material comienzan a cambiar de manera inexplicable, impredecible, y caminos misteriosos.
"Es como una ola atrapada entre las paredes cerrándose, "Dijo Gabor." Mecánicamente cuántico, esto cambia todas las escalas. La combinación de dos materiales ultrapequeños diferentes da lugar a un proceso de multiplicación completamente nuevo. Dos más dos son cinco ".
"Idealmente, en una celda solar, querríamos que la luz que entra se convierta en varios electrones, "dijo Max Grossnickle, también estudiante de posgrado en el laboratorio de Gabor y co-primer autor del artículo de investigación. "Nuestro artículo muestra que esto es posible".
Barati señaló que se podrían generar más electrones también aumentando la temperatura del dispositivo.
"Vimos una duplicación de electrones en nuestro dispositivo a 340 grados 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, " él dijo.
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.
"These materials, 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, decir, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."
