Um diagrama de energia do dispositivo WSe2-MoSe2. Quando um fóton (1) atinge a camada WSe2, ele solta um elétron (2), liberando-o para conduzir através do WSe2 (3). Na junção entre os dois materiais, o elétron desce para o MoSe2 (4). A energia emitida na queda catapulta um segundo elétron do WSe2 (5) para o MoSe2 (6), onde ambos os elétrons são livres para se mover e gerar eletricidade. Crédito:University Communications, UC Riverside.
Físicos da Universidade da Califórnia, A Riverside desenvolveu um fotodetector - um dispositivo que detecta a luz - combinando dois materiais inorgânicos distintos e produzindo processos mecânicos quânticos que podem revolucionar a forma como a energia solar é coletada.
Fotodetectores são quase onipresentes, encontrados em câmeras, celulares, controles remotos, células solares, e até mesmo os painéis dos ônibus espaciais. Medindo apenas mícrons de diâmetro, esses minúsculos dispositivos convertem luz em elétrons, cujo movimento subsequente gera um sinal eletrônico. Aumentar a eficiência da conversão de luz em eletricidade tem sido um dos principais objetivos na construção de fotodetectores desde sua invenção.
Os pesquisadores do laboratório empilharam duas camadas atômicas de disseleneto de tungstênio (WSe 2 ) em uma única camada atômica de disseleneto de molibdênio (MoSe 2 ) Esse empilhamento resulta em propriedades muito diferentes daquelas das camadas pai, permitindo a engenharia eletrônica personalizada na menor escala possível.
Dentro dos átomos, os elétrons vivem em estados que determinam seu nível de energia. Quando os elétrons se movem de um estado para outro, eles adquirem ou perdem energia. Acima de um certo nível de energia, os elétrons podem se mover livremente. Um elétron movendo-se para um estado de energia inferior pode transferir energia suficiente para soltar outro elétron.
Os físicos da UC Riverside observaram que quando um fóton atinge o WSe 2 camada, ele solta um elétron, liberando-o para conduzir através do WSe 2 . No cruzamento entre WSe 2 e MoSe 2 , o elétron desce para o MoSe 2 . A energia emitida então catapulta um segundo elétron do WSe 2 no MoSe 2 , onde ambos os elétrons ficam livres para se mover e gerar eletricidade.
"Estamos vendo um novo fenômeno ocorrendo, "disse Nathaniel M. Gabor, um professor assistente de física, que liderou a equipe de pesquisa. "Normalmente, quando um elétron salta entre estados de energia, ele desperdiça energia. Em nosso experimento, a energia residual, em vez disso, cria outro elétron, dobrando sua eficiência. Compreendendo esses processos, junto com projetos aprimorados que vão além dos limites teóricos de eficiência, terá um amplo significado no que diz respeito ao design de novos dispositivos fotovoltaicos ultra-eficientes. "
Nathaniel Gabor da UC Riverside (à esquerda) é visto aqui em seu laboratório de optoeletrônica de materiais quânticos com seus alunos de graduação Fatemeh Barati (centro) e Max Grossnickle. Crédito:I. Pittalwala, UC Riverside.
Os resultados do estudo aparecem hoje em Nature Nanotechnology .
"O elétron em WSe 2 que é inicialmente energizado pelo fóton tem uma energia que é baixa em relação ao WSe 2 , "disse Fatemeh Barati, um estudante de pós-graduação no laboratório de optoeletrônica de materiais quânticos de Gabor e o co-primeiro autor do artigo de pesquisa. “Com a aplicação de um pequeno campo elétrico, ele transfere para o MoSe 2 , onde sua energia, com relação a este novo material, é alto. Significado, agora pode perder energia. Esta energia é dissipada como energia cinética que desaloja o elétron adicional de WSe 2 . "
Em modelos de painéis solares existentes, um fóton pode gerar no máximo um elétron. No protótipo desenvolvido pelos pesquisadores, um fóton pode gerar dois elétrons ou mais por meio de um processo chamado multiplicação de elétrons.
Os pesquisadores explicaram que em materiais ultra-pequenos, elétrons se comportam como ondas. Embora não seja intuitivo em grandes escalas, o processo de geração de dois elétrons a partir de um fóton é perfeitamente permitido em escalas de comprimento extremamente pequenas. Quando um material, como WSe 2 ou MoSe 2 , é reduzido a dimensões próximas ao comprimento de onda do elétron, as propriedades do material começam a mudar de forma inexplicável, imprevisível, e maneiras misteriosas.
"É como uma onda presa entre as paredes se fechando, "Gabor disse." Quantum mecanicamente, isso muda todas as escalas. A combinação de dois materiais ultrapequenos diferentes dá origem a um processo de multiplicação inteiramente novo. Dois mais dois é igual a cinco. "
"Idealmente, em uma célula solar, desejaríamos que a luz chegasse para se transformar em vários elétrons, "disse Max Grossnickle, também aluno de pós-graduação no laboratório de Gabor e co-primeiro autor do artigo de pesquisa. "Nosso artigo mostra que isso é possível."
Barati observou que mais elétrons também poderiam ser gerados com o aumento da temperatura do dispositivo.
"Vimos uma duplicação dos elétrons em nosso dispositivo a 340 graus 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, " ele disse.
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, dizer, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."
