Physiciens de l'Université de Californie, Riverside a développé un photodétecteur - un appareil qui détecte la lumière - en combinant deux matériaux inorganiques distincts et en produisant des processus de mécanique quantique qui pourraient révolutionner la façon dont l'énergie solaire est collectée.

Les photodétecteurs sont presque omniprésents, trouvé dans les caméras, téléphones portables, télécommandes, cellules solaires, et même les panneaux des navettes spatiales. Mesurant juste des microns de diamètre, ces minuscules appareils convertissent la lumière en électrons, dont le mouvement ultérieur génère un signal électronique. L'augmentation de l'efficacité de la conversion lumière-électricité a été l'un des principaux objectifs de la construction des photodétecteurs depuis leur invention.

Les chercheurs du laboratoire ont empilé deux couches atomiques de diséléniure de tungstène (WSe 2 ) sur une seule couche atomique de diséléniure de molybdène (MoSe 2 ). Un tel empilement se traduit par des propriétés très différentes de celles des couches mères, permettant une ingénierie électronique personnalisée à la plus petite échelle possible.

Dans les atomes, les électrons vivent dans des états qui déterminent leur niveau d'énergie. Lorsque les électrons passent d'un état à un autre, ils acquièrent ou perdent de l'énergie. Au-dessus d'un certain niveau d'énergie, les électrons peuvent se déplacer librement. Un électron se déplaçant dans un état d'énergie inférieure peut transférer suffisamment d'énergie pour faire tomber un autre électron.

Les physiciens de l'UC Riverside ont observé que lorsqu'un photon frappe le WSe 2 couche, il fait tomber un électron, en le libérant pour conduire à travers le WSe 2 . A la jonction entre WSe 2 et MoSe 2 , l'électron tombe dans le MoSe 2 . L'énergie dégagée catapulte alors un deuxième électron du WSe 2 dans le MoSe 2 , où les deux électrons deviennent libres de se déplacer et de générer de l'électricité.

"Nous voyons un nouveau phénomène se produire, " dit Nathaniel M. Gabor, professeur assistant de physique, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Normalement, quand un électron saute entre les états d'énergie, ça gaspille de l'énergie. Dans notre expérience, l'énergie perdue crée à la place un autre électron, doubler son efficacité. Comprendre de tels processus, avec des conceptions améliorées qui dépassent les limites d'efficacité théoriques, aura une grande importance en ce qui concerne la conception de nouveaux dispositifs photovoltaïques ultra-efficaces. »

Les résultats de l'étude paraissent aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .

"L'électron dans WSe 2 qui est initialement excité par le photon a une énergie faible par rapport à WSe 2 , " dit Fatemeh Barati, un étudiant diplômé du laboratoire d'optoélectronique des matériaux quantiques de Gabor et le co-premier auteur du document de recherche. "Avec l'application d'un petit champ électrique, il transfère à MoSe 2 , où son énergie, en ce qui concerne ce nouveau matériel, est haut. Sens, il peut maintenant perdre de l'énergie. Cette énergie est dissipée sous forme d'énergie cinétique qui déloge l'électron supplémentaire de WSe 2 ."

Dans les modèles de panneaux solaires existants, un photon peut générer au plus un électron. Dans le prototype développé par les chercheurs, un photon peut générer deux électrons ou plus grâce à un processus appelé multiplication d'électrons.

Les chercheurs ont expliqué que dans les matériaux ultrapetits, les électrons se comportent comme des ondes. Bien qu'il ne soit pas intuitif à grande échelle, le processus de génération de deux électrons à partir d'un photon est parfaitement admissible à des échelles de longueur extrêmement petites. Lorsqu'un matériau, comme WSe 2 ou MoSe 2 , s'amincit à des dimensions proches de la longueur d'onde de l'électron, les propriétés du matériau commencent à changer de manière inexplicable, imprévisible, et des voies mystérieuses.

"C'est comme une vague coincée entre des murs qui se referme, " dit Gabor. " Quantum mécaniquement, cela change toutes les échelles. La combinaison de deux matériaux ultra petits différents donne lieu à un tout nouveau processus de multiplication. Deux plus deux font cinq."

"Idéalement, dans une cellule solaire, nous voudrions que la lumière entrante se transforme en plusieurs électrons, " dit Max Grossnickle, également étudiant diplômé du laboratoire de Gabor et co-premier auteur du document de recherche. "Notre article montre que c'est possible."

Barati a noté que plus d'électrons pourraient également être générés en augmentant la température de l'appareil.

"Nous avons vu un doublement des électrons dans notre appareil à 340 degrés 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, " il a dit.

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, dire, a suit that generates power - energy-harvesting technology that would be essentially invisible."