Comparação da fotoluminescência de diferentes espessuras de disseleneto de molibdênio. A amostra de camada única tem o maior valor de fotoluminescência devido ao seu gap direto. Crédito da imagem:Tongay, et al. © 2012 American Chemical Society
(Phys.org) —Em seu coração, A pesquisa fotovoltaica trata de encontrar materiais com propriedades específicas que os tornam bons em absorver a luz solar e convertê-la em eletricidade. Os melhores materiais fotovoltaicos são semicondutores que têm valores de gap de banda ideais que variam de 1-1,6 eV, permitindo-lhes absorver porções particulares do espectro solar, dependendo do valor do gap. Em um novo estudo, os cientistas de materiais sintetizaram e caracterizaram um novo material semicondutor que consiste em uma camada atomicamente fina (0,7 nm) de selênio e molibdênio que tem um gap ideal para colheita solar e aplicações optoeletrônicas, e também exibe algum comportamento único.
Os pesquisadores, uma equipe da Universidade da Califórnia, Berkeley; MIT; e a Academia Chinesa de Ciências, publicaram seu estudo em uma edição recente da Nano Letras .
"Aqui, nós isolamos camadas únicas de disseleneto de molibdênio (MoSe 2 ) e mostraram seu valor de gap promissor de 1,5 eV para colheita solar e possivelmente outras aplicações optoeletrônicas, "co-autor Junqiao Wu, um professor da Universidade da Califórnia, Berkeley, contado Phys.org . "De acordo com o limite de Shockley-Queisser para a eficiência máxima teórica de semicondutores de células solares, semicondutores com lacunas de banda entre 1 e 1,6 eV têm o maior potencial para formar uma célula eficiente. Isso ocorre porque um gap maior seria incapaz de absorver fótons de baixa energia (e, portanto, a fotocorrente seria baixa), e um gap mais estreito perderia muitos fótons de alta energia para aquecer (e, portanto, a fotovoltagem seria baixa). Estamos dentro dessa faixa no limite de camada única. "
Além de sua atraente lacuna de banda, MoSe 2 também é atraente por causa de outra propriedade incomum:tem lacunas de banda diretas e indiretas quase degeneradas no limite de poucas camadas, ou seja, as lacunas de banda direta e indireta têm quase a mesma energia no limite de poucas camadas. Embora materiais com lacunas de banda diretas e indiretas possam absorver fótons cuja energia está perto da energia de lacuna de banda, materiais com lacunas de banda diretas não permitem que os fótons penetrem tão longe, o que os torna melhores (e geralmente mais finos) absorvedores de luz do que materiais com lacunas de banda indiretas.
Imagem AFM de um floco de disseleneto de molibdênio de camada única. Crédito da imagem:Tongay, et al. © 2012 American Chemical Society
MoSe 2 , como a maioria dos outros calcogenetos de metais de transição, tem uma lacuna de banda indireta na forma em massa e uma lacuna de banda direta como uma camada única bidimensional. Tipicamente, a fim de transformar o gap indireto em um gap direto, uma única camada deve ser fisicamente isolada de um pedaço de material a granel.
No novo estudo, os pesquisadores descobriram que podiam mudar o gap indireto em um pedaço de algumas camadas de MoSe 2 a um gap direto simplesmente aumentando a temperatura. Como explicam os pesquisadores, aumentar a temperatura para 100 ° C (212 ° F) faz com que as múltiplas camadas do material se desacoplem termicamente umas das outras devido à expansão térmica do espaço entre as camadas. Essencialmente, as camadas múltiplas atuam cada uma como camadas individuais com lacunas de banda diretas. O desacoplamento elimina a degenerescência para que o material se torne uma banda mais direta e mais luminescente.
Uma vez que muitos calcogenetos de metais de transição possuem uma lacuna de banda indireta na forma volumosa e se tornam diretos como uma única camada, pode-se esperar que outros materiais também possam ter suas lacunas de banda alteradas pela mudança de temperatura. Contudo, quando os cientistas testaram um material semelhante, dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ), eles descobriram isso, embora o aumento da temperatura tenha expandido a distância intercamada, como fez no MoSe 2 , sua lacuna de banda permaneceu indireta na forma de poucas camadas, ao contrário do caso do MoSe 2 .
Essa diferença se deve ao MoSe 2 tendo uma diferença menor (cerca de metade) entre os valores de seu gap indireto e gap direto em comparação com o de MoS 2 . Uma diferença de energia maior para MoS 2 significa que seu gap está longe de degenerar e suas camadas não podem ser termicamente desacopladas do ponto de vista óptico; a única maneira de mudar o gap para direto seria isolar fisicamente uma única camada da massa.
Até aqui, parece que MoSe 2 é o único material que muda seu tipo de gap devido a uma mudança na temperatura. Contudo, os pesquisadores pensam que existem outros materiais bidimensionais com valores de band gap diretos e indiretos quase degenerados que podem se comportar de maneira semelhante.
"MoSe 2 é especial no sentido de que seus valores de gap direto e indireto já estão próximos em valor, e um pequeno aumento na temperatura foi suficiente para desacoplar ligeiramente as camadas umas das outras e empurrá-las para o regime de gap direto, "disse o co-autor Sefaattin Tongay, da Universidade da Califórnia, Berkeley.
A capacidade de controlar o gap de MoSe 2 , junto com sua atraente lacuna de banda direta de 1,5 eV em forma de camada única, torna o material atraente para aplicações, incluindo conversão de energia solar em células solares de junção única, LEDs, dispositivos optoeletrônicos, e células fotoeletroquímicas. MoSe 2 membranas também podem ser usadas para funcionalizar a superfície de outros materiais para formar estruturas de colheita solar eficientes.
"Atualmente, estamos projetando semicondutores bidimensionais funcionais e examinando o que esses materiais podem oferecer, "Tongay disse." Queremos encontrar aplicações e explorar novas físicas em dimensões reduzidas. "
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