光电探测器在生活中无处不在, 比如照相机, 手机, 远程控制设备, 太阳能电池甚至宇宙飞船的面板. 仅有微米量级的厚度, 这些小型的装置可以将光转化为电能, 随后产生电信号. 自从光电探测器被发明以来, 增加其光电转换效率就成为了制作光电探测器首要的目标之一.
近日, 加州大学河湾分校的物理学家们研发了一种新型光电探测器, 通过将两种不同的无机材料进行混合然后创造出量子力学层面的过程, 可以颠覆现有太阳能的收集方式. 该研究成果发表在《自然·纳米技术》上.
该小组的研究人员将两原子层二硒化钨 (WSe2) 堆叠在单原子层的二硒化钼 (MoSe2) 上. 这种堆叠导致的结果与现有的层结构特性有很大的不同, 可以使研究者在最薄的尺度上进行电子工程的定制和操作.
在原子中, 电子所处的状态决定了它们的能级. 当电子从一个态转移到另外一个态时, 它将吸收或者释放能量. 当电子处于特定能级以上时, 电子就可以自由移动了. 电子移动到一个低能级过程中, 放出的能量足以松动另一个电子.
研究人员观察到, 当一个光子打到WSe2层上后, 它将松动一个电子, 使其自由在WSe2层运动. 在WSe2和MoSe2的结点, 这个自由电子将掉落到MoSe2层. 掉落过程中电子释放的能量将会将另一个电子由WSe2层 '踢' 到MoSe2层, 最终获得两个自由电子并产生电量.
图|WSe2-MoSe2装置的能级图. 一个光子 (1) 入射到WSe2层上, 它将踢出一个电子 (2) , 使其可以在WSe2上自由运动 (3) .在两种材料的结点, 电子掉落到MoSe2 (4) .掉落过程中电子释放的能量将会将另一个电子由WSe2层 (5) 「踢」到MoSe2层 (6) , 最终获得两个自由电子并产生电量.
'我们观察到的是一种新现象的发生' , 研究团队的领导者, 物理系助理教授NathanielM.Gabor说. '通常, 当一个电子在能级之间跳跃时会损失能量. 然而, 在我们的实验中, 损失的能量反而导致了另外一个自由电子的产生, 将原先的效率加倍. 这一原理, 结合超过理论的效率极限的改进型设计, 将会对未来新型超高精度的光电装置的设计产生广泛影响. '
'在WSe2层上最初被光子激发的电子, 其拥有的能量在WSe2层算是较低的' . Gabor量子材料与光电子实验室的研究生, 同时也是论文的联合第一作者之一的FatemehBarati说到. '通过施加一个小的电场, 这个电子将转移到MoSe2, 此时电子的能量在这个新的层上算是高的, 这意味着, 它可以释放一部分能量. 释放的这一部分能量以动量的形式耗散掉, 同时 '踢' 出WSe2中另外一个电子. '
在现有的太阳能板的模型中, 一个光子至多能产生一个电子. 然而在这几位研究者所研发的原型装置中, 一个光子可以通过所谓的电子倍增技术产生两个或者更多数量的电子. 研究者解释道, 在极小的物资中, 电子的波动性得以体现. 尽管这在宏观上难以理解, 但是在及其微小的尺度下, 一个光子产生两个电子时完全可能的. 当一种材料, 例如WSe2或MoSe2, 其尺度接近电子波动的波长时, 其行为开始变得无法解释, 不可预测而且很神秘.
'就像波被禁锢在在围墙之中一样' , Gabor说到. '量子力学上来说, 这改变所有的限定. 两种不同但都超小的材料的结合导致全新的倍增过程, 像是2+2=5! '
'理想来说, 在太阳能电池上, 我们希望光字进入后能转化为多个电子' , 团队的另一位研究生, 同时也是论文的联合第一作者之一的MaxGrossnickle说到. '我们的论文中显示这是可能的. ' Barati注意到, 通过增加器件的温度, 将会产生更多的电子.
'我们在装置处于340开尔文 (150华氏度, 67摄氏度) , , 高于室温的情况下, 观察到电子加倍的现象' , 她说. '而几乎没有材料在室温情况下显示出这种现象. 当我们继续增加温度, 我们可以看到更多的电子. '
在传统光电装置中, 电子倍增往往需要施加10-100V的高压. 然而, 在这种新型的装置中, 观测电子加倍仅需要施加1.2V电压, 相当于一节AA电池. '这种低压操作带来的低功耗特性, 预示着光电探测器和太阳能电池材料设计领域革命性变化的到来. '
他解释到, 光伏装置的效率问题是由一个简单的竞争决定的, 光能量是转换成为无用的热能还是有用的电能. '超薄材料可以平衡这一竞争, 在限制热产生的同时, 增加电能. ' 他说到.
Gabor继续解释说, 他的团队发现的量子力学现象与宇宙射线穿过大气层的现象类似. 当高能宇宙射线与地球大气层接触时, 将会产生一系列新的粒子. 同时他也认为团队的发现将会在未知的领域进行应用.
'这些仅有一个原子厚的材料几乎是透明的' , 他说到. '可以预想到我们在未来会看到它们附着在画上, 或是作为太阳能电池安装在窗户上. 因为这些材料具有很好的柔韧性, 还可以预想到它们与布料集成, 应用于可穿戴的光伏装置上. 没准未来会出现可以产生能源的衣服, 使得能量收集技术处于无形之中. '
