(Phys.org)—En son cœur, la recherche photovoltaïque consiste à trouver des matériaux dotés de propriétés spécifiques qui les rendent aptes à absorber la lumière du soleil et à la convertir en électricité. Les meilleurs matériaux photovoltaïques sont des semi-conducteurs qui ont des valeurs de bande interdite optimales allant de 1 à 1,6 eV, leur permettant d'absorber des portions particulières du spectre solaire en fonction de la valeur de la bande interdite. Dans une nouvelle étude, les scientifiques des matériaux ont synthétisé et caractérisé un nouveau matériau semi-conducteur qui se compose d'une couche atomiquement mince (0,7 nm) de sélénium et de molybdène qui a une bande interdite idéale pour la récolte solaire et les applications optoélectroniques, et présente également un comportement unique.

Les chercheurs, une équipe de l'Université de Californie, Berkeley; MIT ; et l'Académie chinoise des sciences, ont publié leur étude dans un récent numéro de Lettres nano .

"Ici, nous avons isolé des couches simples de diséléniure de molybdène (MoSe 2 ) et ont montré leur valeur de bande interdite prometteuse de 1,5 eV pour la récolte solaire et éventuellement d'autres applications optoélectroniques, " co-auteur Junqiao Wu, professeur à l'Université de Californie, Berkeley, Raconté Phys.org . "Selon la limite de Shockley-Queisser pour l'efficacité maximale théorique des semi-conducteurs de cellules solaires, les semi-conducteurs avec des bandes interdites entre 1 et 1,6 eV ont le plus grand potentiel pour former une cellule efficace. En effet, une bande interdite plus large serait incapable d'absorber les photons de faible énergie (et donc le photocourant serait faible), et une bande interdite plus étroite perdrait trop de photons à haute énergie pour chauffer (et donc le photovoltaïque serait faible). Nous sommes dans cette fourchette dans la limite monocouche."

En plus de sa bande interdite attrayante, MoSe 2 est également attrayant en raison d'une autre propriété inhabituelle :il a des bandes interdites directes et indirectes presque dégénérées dans la limite de quelques couches, c'est à dire., les bandes interdites directes et indirectes ont presque la même énergie dans la limite de quelques couches. Bien que les matériaux avec des bandes interdites directes et indirectes puissent absorber des photons dont l'énergie est proche de l'énergie de la bande interdite, les matériaux avec des bandes interdites directes ne permettent pas aux photons de pénétrer aussi loin, ce qui les rend meilleurs (et généralement plus minces) absorbeurs de lumière que les matériaux avec des bandes interdites indirectes.

MoSe 2 , comme la plupart des autres chalcogénures de métaux de transition, a une bande interdite indirecte sous forme massive et une bande interdite directe sous forme de couche unique bidimensionnelle. Typiquement, afin de transformer la bande interdite indirecte en une bande interdite directe, une seule couche doit être physiquement isolée d'un morceau de matériau en vrac.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient changer la bande interdite indirecte dans un morceau de MoSe à quelques couches 2 à une bande interdite directe simplement en augmentant la température. Comme l'expliquent les chercheurs, l'augmentation de la température à 100 °C (212 °F) provoque le découplage thermique des multiples couches du matériau les unes des autres en raison de la dilatation thermique de l'espace entre les couches. Essentiellement, les multiples couches agissent chacune comme des couches individuelles avec des bandes interdites directes. Le découplage lève la dégénérescence de sorte que le matériau devient une bande plus directe et plus luminescente.

Étant donné que de nombreux chalcogénures de métaux de transition possèdent une bande interdite indirecte sous forme massive et deviennent directs en une seule couche, on pourrait s'attendre à ce que d'autres matériaux puissent également avoir leurs bandes interdites modifiées en changeant la température. Cependant, lorsque les scientifiques ont testé un matériau similaire, bisulfure de molybdène (MoS 2 ), ils ont trouvé que, même si l'augmentation de la température a augmenté la distance entre les couches comme dans le MoSe 2 , sa bande interdite est restée indirecte sous la forme à quelques couches, contrairement au cas du MoSe 2 .

Cette différence est due au MoSe 2 ayant une plus petite différence (environ la moitié) entre les valeurs de sa bande interdite indirecte et de sa bande interdite directe par rapport à celle de MoS 2 . Une plus grande différence d'énergie pour MoS 2 signifie que sa bande interdite est loin d'être dégénérée et que ses couches ne peuvent pas être découplées thermiquement du point de vue optique; la seule façon de changer la bande interdite en direct serait d'isoler physiquement une seule couche de la masse.

Jusque là, il semble que MoSe 2 est le seul matériau qui change de type de bande interdite en raison d'un changement de température. Cependant, les chercheurs pensent qu'il existe d'autres matériaux bidimensionnels avec des valeurs de bande interdite indirectes et directes presque dégénérées qui peuvent se comporter de manière similaire.

"Mose 2 est spécial dans le sens où ses valeurs de bande interdite indirecte et directe sont déjà proches en valeur, et une petite augmentation de température a suffi pour découpler légèrement les couches les unes des autres et la pousser vers le régime de bande interdite directe, " a déclaré le coauteur Sefaattin Tongay de l'Université de Californie, Berkeley.

La capacité de contrôler la bande interdite du MoSe 2 , avec sa bande interdite directe attrayante de 1,5 eV sous forme monocouche, rend le matériau attrayant pour des applications telles que la conversion de l'énergie solaire dans des cellules solaires à simple jonction, LED, appareils optoélectroniques, et des cellules photoélectrochimiques. MoSe 2 les membranes peuvent également être utilisées pour fonctionnaliser la surface d'autres matériaux afin de former des structures de récolte solaire efficaces.

"Actuellement, nous concevons des semi-conducteurs bidimensionnels fonctionnels et recherchons ce que ces matériaux peuvent offrir, " a déclaré Tongay. "Nous voulons trouver des applications et explorer une nouvelle physique en dimensions réduites."

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