光電探測器在生活中無處不在, 比如照相機, 手機, 遠程式控制制設備, 太陽能電池甚至宇宙飛船的面板. 僅有微米量級的厚度, 這些小型的裝置可以將光轉化為電能, 隨後產生電訊號. 自從光電探測器被發明以來, 增加其光電轉換效率就成為了製作光電探測器首要的目標之一.
近日, 加州大學河灣分校的物理學家們研發了一種新型光電探測器, 通過將兩種不同的無機材料進行混合然後創造出量子力學層面的過程, 可以顛覆現有太陽能的收集方式. 該研究成果發表在《自然·納米技術》上.
該小組的研究人員將兩原子層二硒化鎢 (WSe2) 堆疊在單原子層的二硒化鉬 (MoSe2) 上. 這種堆疊導致的結果與現有的層結構特性有很大的不同, 可以使研究者在最薄的尺度上進行電子工程的定製和操作.
在原子中, 電子所處的狀態決定了它們的能級. 當電子從一個態轉移到另外一個態時, 它將吸收或者釋放能量. 當電子處於特定能級以上時, 電子就可以自由移動了. 電子移動到一個低能級過程中, 放出的能量足以鬆動另一個電子.
研究人員觀察到, 當一個光子打到WSe2層上後, 它將鬆動一個電子, 使其自由在WSe2層運動. 在WSe2和MoSe2的結點, 這個自由電子將掉落到MoSe2層. 掉落過程中電子釋放的能量將會將另一個電子由WSe2層 '踢' 到MoSe2層, 最終獲得兩個自由電子併產生電量.
圖|WSe2-MoSe2裝置的能級圖. 一個光子 (1) 入射到WSe2層上, 它將踢出一個電子 (2) , 使其可以在WSe2上自由運動 (3) .在兩種材料的結點, 電子掉落到MoSe2 (4) .掉落過程中電子釋放的能量將會將另一個電子由WSe2層 (5) 「踢」到MoSe2層 (6) , 最終獲得兩個自由電子併產生電量.
'我們觀察到的是一種新現象的發生' , 研究團隊的領導者, 物理系助理教授NathanielM.Gabor說. '通常, 當一個電子在能級之間跳躍時會損失能量. 然而, 在我們的實驗中, 損失的能量反而導致了另外一個自由電子的產生, 將原先的效率加倍. 這一原理, 結合超過理論的效率極限的改進型設計, 將會對未來新型超高精度的光電裝置的設計產生廣泛影響. '
'在WSe2層上最初被光子激發的電子, 其擁有的能量在WSe2層算是較低的' . Gabor量子材料與光電子實驗室的研究生, 同時也是論文的聯合第一作者之一的FatemehBarati說到. '通過施加一個小的電場, 這個電子將轉移到MoSe2, 此時電子的能量在這個新的層上算是高的, 這意味著, 它可以釋放一部分能量. 釋放的這一部分能量以動量的形式耗散掉, 同時 '踢' 出WSe2中另外一個電子. '
在現有的太陽能板的模型中, 一個光子至多能產生一個電子. 然而在這幾位研究者所研發的原型裝置中, 一個光子可以通過所謂的電子倍增技術產生兩個或者更多數量的電子. 研究者解釋道, 在極小的物資中, 電子的波動性得以體現. 儘管這在宏觀上難以理解, 但是在及其微小的尺度下, 一個光子產生兩個電子時完全可能的. 當一種材料, 例如WSe2或MoSe2, 其尺度接近電子波動的波長時, 其行為開始變得無法解釋, 不可預測而且很神秘.
'就像波被禁錮在在圍牆之中一樣' , Gabor說到. '量子力學上來說, 這改變所有的限定. 兩種不同但都超小的材料的結合導致全新的倍增過程, 像是2+2=5! '
'理想來說, 在太陽能電池上, 我們希望光字進入後能轉化為多個電子' , 團隊的另一位研究生, 同時也是論文的聯合第一作者之一的MaxGrossnickle說到. '我們的論文中顯示這是可能的. ' Barati注意到, 通過增加器件的溫度, 將會產生更多的電子.
'我們在裝置處於340開爾文 (150華氏度, 67攝氏度) , , 高於室溫的情況下, 觀察到電子加倍的現象' , 她說. '而幾乎沒有材料在室溫情況下顯示出這種現象. 當我們繼續增加溫度, 我們可以看到更多的電子. '
在傳統光電裝置中, 電子倍增往往需要施加10-100V的高壓. 然而, 在這種新型的裝置中, 觀測電子加倍僅需要施加1.2V電壓, 相當於一節AA電池. '這種低壓操作帶來的低功耗特性, 預示著光電探測器和太陽能電池材料設計領域革命性變化的到來. '
他解釋到, 光伏裝置的效率問題是由一個簡單的競爭決定的, 光能量是轉換成為無用的熱能還是有用的電能. '超薄材料可以平衡這一競爭, 在限制熱產生的同時, 增加電能. ' 他說到.
Gabor繼續解釋說, 他的團隊發現的量子力學現象與宇宙射線穿過大氣層的現象類似. 當高能宇宙射線與地球大氣層接觸時, 將會產生一系列新的粒子. 同時他也認為團隊的發現將會在未知的領域進行應用.
'這些僅有一個原子厚的材料幾乎是透明的' , 他說到. '可以預想到我們在未來會看到它們附著在畫上, 或是作為太陽能電池安裝在窗戶上. 因為這些材料具有很好的柔韌性, 還可以預想到它們與布料整合, 應用於可穿戴的光伏裝置上. 沒準未來會出現可以產生能源的衣服, 使得能量收集技術處於無形之中. '
