原型顯示了微型光電探測器如何將效率提高一倍

加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家開發(fā)了一種光電探測器 - 一種感應(yīng)光的裝置 - 通過結(jié)合兩種不同的無機材料并產(chǎn)生可以徹底改變太陽能收集方式的量子力學(xué)過程。

光電探測器幾乎無處不在，可以在相機，手機，遙控器，太陽能電池甚至是航天飛機的面板中找到。這些微型器件僅測量微米，將光轉(zhuǎn)換為電子，隨后的運動產(chǎn)生電子信號。自發(fā)明以來，提高光電轉(zhuǎn)換效率一直是光電探測器構(gòu)造的主要目標(biāo)之一。

實驗室研究人員將兩個原子層的二硒化鎢(WSe 2)堆疊在單一的二硒化鉬原子層(MoSe 2)上。這種堆疊導(dǎo)致與母層的性質(zhì)大不相同的特性，允許以最小的規(guī)模進(jìn)行定制的電子工程。

在原子內(nèi)，電子生活在決定其能量水平的狀態(tài)中。當(dāng)電子從一種狀態(tài)移動到另一種狀態(tài)時，它們會獲得或失去能量。超過一定的能級，電子可以自由移動。移動到較低能量狀態(tài)的電子可以轉(zhuǎn)移足夠的能量以敲除另一個電子。

加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家觀察到，當(dāng)一個光子撞擊WSe 2層時，它會敲擊一個電子，使其釋放通過WSe 2。在WSe 2 和MoSe 2之間的連接處，電子下降到MoSe 2中。然后釋放的能量將來自WSe 2的第二電子投射 到MoSe 2中，其中兩個電子都自由移動并發(fā)電。

“我們正在看到一種新現(xiàn)象，” 負(fù)責(zé)該研究小組的物理學(xué)助理教授 納撒尼爾·M·加博爾說 。“通常，當(dāng)電子在能量狀態(tài)之間跳躍時，它會浪費能量。在我們的實驗中，廢物能量反而產(chǎn)生另一個電子，使其效率翻倍。了解這些工藝，以及超越理論效率限制的改進(jìn)設(shè)計，將在設(shè)計新的超高效光伏器件方面具有廣泛的意義。“

研究結(jié)果 今天出現(xiàn)在 Nature Nanotechnology上。

“ 最初由光子激發(fā)的WSe 2中的電子具有相對于WSe 2較低的能量，” Gabor 量子材料光電子實驗室的研究生 和該研究論文的共同第一作者Fatemeh Barati 說 。“隨著小電場的應(yīng)用，它轉(zhuǎn)移到MoSe 2，其中相對于這種新材料的能量很高。意思是，它現(xiàn)在可以失去能量。這種能量作為動能消散，從WSe 2驅(qū)逐附加電子。“

在現(xiàn)有的太陽能電池板模型中，一個光子最多可以產(chǎn)生一個電子。在研究人員開發(fā)的原型中，一個光子可以通過稱為電子倍增的過程產(chǎn)生兩個或更多電子。

研究人員解釋說，在超小材料中，電子表現(xiàn)得像波浪一樣。雖然它在大尺度上是不直觀的，但是從一個光子產(chǎn)生兩個電子的過程在極小的長度尺度上是完全允許的。當(dāng)一種材料(如WSe 2 或MoSe 2)變薄到接近電子波長的尺寸時，材料的特性開始以莫名其妙，不可預(yù)測和神秘的方式發(fā)生變化。

“就像在墻壁之間插入一股波浪，”Gabor說道。“機械量子，這會改變所有尺度。兩種不同的超小材料的組合產(chǎn)生了一種全新的倍增過程。兩加二等于五。“

“理想情況下，在太陽能電池中，我們希望光進(jìn)入多個電子，” Max Grossnickle說 ，他也是Gabor實驗室的研究生和研究論文的共同第一作者。“我們的論文表明這是可能的。”

Barati指出，通過提高設(shè)備的溫度也可以產(chǎn)生更多的電子。

“我們看到設(shè)備中的電子在340開氏度(150華氏度)時翻了一倍，這略高于室溫，”她說。“很少有材料在室溫附近顯示出這種現(xiàn)象。隨著我們提高這個溫度，我們應(yīng)該看到電子的倍增。“

傳統(tǒng)光電池器件中的電子倍增通常需要施加10-100伏的電壓。為了觀察電子的倍增，研究人員僅使用1.2伏電壓，即AA電池提供的典型電壓。

“這種低電壓操作，因此功耗低，可能預(yù)示著光電探測器和太陽能電池材料設(shè)計的革命性方向，”Grossnickle說。

他解釋說，光伏器件的效率取決于簡單的競爭：光能轉(zhuǎn)換成廢熱或有用的電能。

他說：“超薄材料可以通過同時限制熱量產(chǎn)生，同時增加電子功率，從而在競爭中取得平衡。”

Gabor解釋說，他的團(tuán)隊在他們的裝置中觀察到的量子力學(xué)現(xiàn)象與當(dāng)宇宙射線以高動能與地球大氣接觸時產(chǎn)生一系列新粒子時發(fā)生的相似。

他推測該團(tuán)隊的研究結(jié)果可能會以不可預(yù)見的方式找到應(yīng)用程序。

“這些材料只是原子厚度，幾乎是透明的，”他說。“可以想象，有一天我們可能會將它們包含在油漆或太陽能電池中，并入窗戶。由于這些材料是柔性的，我們可以設(shè)想它們在可穿戴光伏器件中的應(yīng)用，材料被整合到織物中。比方說，我們可以擁有能夠產(chǎn)生能量的能源 - 能量收獲技術(shù)基本上是看不見的。“