登录注册   忘记密码

加州大学研究团队利用超薄材料制作出新型光电探测器

在美国海军资助下,美国加州大学河滨分校研究人员利用量子力学原理开发出一种新型超高效光电探测器样机,能够将太阳能电池接受的光子转化为多个电子,该样机是基于二维半导体异质结构中间层电子空穴对的有效乘法原理。


研究原理

为了创建该样机,研究团队在在二硒化钼(MoSe2)的单原子层上堆叠了双原子层的二硒化钨(WSe2)。这种堆叠导致新材料与母层的性质大不相同。

该研究团队发现,当一个光子撞击WSe2层时会使一个电子变得松动,而这个自由电子将携带能量穿过WSe2层。而在WSe2与MoSe2的交界处,这个电子发生能级跌落并进入MoSe2层中,产生的能量将在WSe2层中激发另一个电子,同时也会进入MoSe2层。这两个电子都成为了自由电子,并且产生电流。

TIM截图20171023145002.png

图为原理示意图

Nathaniel M. Gabor教授说:“我们观察到了一种新的现象。通常情况下,当电子在能量状态之间跃迁时,它的能量会产生消耗。在我们的实验中,原本被浪费的能量却激发了另一个电子,使效率加倍。


Gabor说,充分理解这一过程,同时开发超出理论上效率极限的结构设计,将有助于设计超高效光伏器件。当用于制作光电传感器的材料被加工成接近电子波长的尺寸时,材料本身的性质会发生改变。在研究人员的设计原型中,一个光子能产生两个或更多的电子。而在传统的太阳能电池板中,一个光子最多只能产生一个电子。


Gabor说,“这个过程就像一个波夹在两面不断相互靠近的墙之间一样。在小尺度,量子力学上改变了整个过程。两个超小尺寸的材料组合在一起,产生了一个全新的电子增殖过程。”


研究人员还指出,通过增加器件的温度,可能会产生更多的电子。


传统光电池

传统的光电池器件中实现电子数量加倍通常需要10到100伏的外加电压。在这项研究中,研究人员只用了1.2伏电压就观测到了电子加倍现象,而这只是典型的AA电池提供的电压。通过对高能效的层间电子-空穴对增殖过程的探索及利用,他们可以在微瓦功率水平下将近红外光电器件的光电响应度提高350%。

TIM截图20171023145038.png

图为研究团队合影


革命性进展

这项发现证明了以过渡金属硫化物(TMD)为基础的光电子器件可以实现高效的载流子增殖,从而使以层间间接电子-空穴对激励为基础的二维半导体异质结构成为实现新型超高效光电探测器的可行之选。


研究人员Max Grossnickle说:“如此低的电压使得器件的功耗也变得很低,这项技术指明了在光电探测器和太阳能电池材料的设计方面革命性的新方向”


Grossnickle还补充道,决定光伏设备的效率的因素可以被归纳为一个简单的竞争关系,即光能是被转化为无用的热量还是有用的电能。


他说,“超薄材料将打破这个竞争中原本的平衡,可以在抑制产生热量的同时增加产生的电能。”


未来前景

Gabor相信,他们团队的这项发现还有很多不可预见的应用方式。他说:“这些材料只有一个原子那么厚,几乎是透明的。可想而知,有一天我们可能会把它们用在油漆中,或者用于结合到窗户上的太阳能电池中。因为这些材料的柔韧性,我们可以设想把它们集成到纺织品上,用于可穿戴光伏设备。我们还可以做能产生能量的套装,可以实现基本隐形的能量收集技术。”

您的评论:

0

用户评价

  • 暂无评论