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二维光电探测器可提高光电转换效率
2017-10-11


[据化合物半导体网站20171010日报道]  美国加利福尼亚大学(UC)河滨分校的物理学家已经开发了一种光电探测器,通过组合两种不同的无机材料,并产生量子力学过程,可以改善太阳能的收集方式。



光电探测器几乎无所不在,可以在相机、手机、遥控器、太阳电池,甚至航天飞机的面板中。自问世以来,提高光电转换效率一直是光电探测器的主要目标之一。



研究人员在单个原子层的二硒化钼(MoSe2)上堆叠了两个原子层的二硒化钨(WSe2)。这种堆叠导致的性能与材料本身的性能截然不同,能够以最小可能的规模实现定制的电子工程。



加利福尼亚大学河滨分校的物理学家观察到,当一个光子撞击到WSe2层时,会撞击一个电子,使其自由的通过WSe2。在WSe2MoSe2的界面处,电子向下跃迁到MoSe2中,所释放的能量将WSe2中的第二个电子激发,跃迁到MoSe2中。这两个电子都能自由移动并发电。



领导研究团队的物理学助理教授Nathaniel M. Gabor说:“我们看到一种新的现象发生了。通常情况下,当电子在不同能级之间跃迁时,会浪费能量,但在我们的实验中,这些浪费能量就会产生另一个自由电子,使效率翻倍。了解这些过程,并改进设计可使器件超出理论效率极限,在设计新的超高效光伏器件方面将具有广泛的意义。”研究结果发表在自然纳米技术期刊中。



Gabor教授的量子材料光电子实验室研究生兼研究论文共同第一作者Fatemeh Barati说:“WSe2中最初由光子激发的电子其能量相对WSe2带隙而言较低。该电子通过施加的小电场,转移到MoSe2中,其能量对于MoSe2而言较高,这意味着它可以失去部分能量,这些能量作为动能消散,将WSe2中的另一个电子撞出。”



在现有的太阳电池板模型中,一个光子最多可以产生一个电子。在研究人员开发的原型中,一个光子可以通过称为电子倍增的过程产生两个或更多个电子。



研究人员解释说,在超小材料中,电子表现得像波一样,在如此小的尺度内,一个光子完全可以产生两个电子。 Gabor说:“就像关在闭合墙壁之间的波涛。量子力学改变了所有的尺度。两种不同的超小材料组合产生了一个全新的乘法过程,两加二等于五。”



Gabor实验室的研究生兼研究论文共同第一作者Max Grossnickle说:“理想情况下,我们希望进入太阳能电池中的光线能够产生多个电子。我们的论文表明这是可能的。”



Barati指出,通过增加器件的温度也可以产生更多的电子。“我们的器件在340度开尔文(66.85℃)看到电子倍增,略高于室温。室温下几乎没有材料显示出这种现象,我们将此温度增加时,应该能够看到比电子倍增更多的电子。”



常规光电池器件中的电子倍增通常需要施加10-100V的电压。为了观察电子的倍增,研究人员只使用了1.2V,即AA电池提供的典型电压。Grossnickle说:“这种低电压操作,和以此带来的低功耗可能预示着光电探测器和太阳能电池材料设计的革命性方向。”



他解释说,光伏器件的效率是由简单的竞争所决定的:光能被转换成废热或有用的电能。他说:“超薄材料可能会在竞争中取得平衡,限制发热,同时增加电力。”



Gabor总结说:“这些材料,只是一个原子厚,几乎是透明的。可以想象,有一天我们可能会将它们添加到油漆中,或者窗户用的太阳电池中。由于这些材料是柔性的,我们可以设想将材料整合到织物中,用在可穿戴光伏领域。我们可以说,一套可以产生电力的衣服——一种基本上看不见的能量采集技术。”



该研究得到了美国能源部空军科学研究科,科特雷尔学者奖和国家科学基金会职业资格奖的资助。(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)



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