2D-materialen worden gecombineerd, worden gepolariseerd en geven aanleiding tot een fotovoltaïsch effect

Voor het eerst hebben onderzoekers een manier ontdekt om polariteit en fotovoltaïsch gedrag te verkrijgen van bepaalde niet-fotovoltaïsche, atomair vlakke (2D) materialen. De sleutel zit hem in de bijzondere manier waarop de materialen zijn gerangschikt. Het resulterende effect is anders dan, en mogelijk beter dan, het fotovoltaïsche effect dat gewoonlijk wordt aangetroffen in zonnecellen.

Zonne-energie wordt beschouwd als een sleuteltechnologie om af te wijken van fossiele brandstoffen. Onderzoekers innoveren voortdurend en efficiëntere manieren om zonne-energie op te wekken. En veel van deze innovaties komen uit de wereld van materiaalonderzoek. Onderzoeksmedewerker Toshiya Ideue van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Tokio en zijn team zijn geïnteresseerd in de fotovoltaïsche eigenschappen van 2D-materialen en hun interfaces waar deze materialen samenkomen.

“Vaak vertonen grensvlakken van meerdere 2D-materialen andere eigenschappen dan de afzonderlijke kristallen alleen”, zei Ideue. “We hebben ontdekt dat twee specifieke materialen die normaal gesproken geen fotovoltaïsch effect hebben, dat wel doen wanneer ze op een heel bijzondere manier worden gestapeld.”

De twee materialen zijn wolfraamselenide (WSe₂) en zwarte fosfor (BP), die beide verschillende kristalstructuren hebben. Oorspronkelijk zijn beide materialen niet-polair (hebben geen voorkeursgeleidingsrichting) en genereren ze geen fotostroom onder licht. Ideue en zijn team ontdekten dat echter door vellen WSe op elkaar te stapelen₂ en BP op de juiste manier samen, vertoonde het monster polarisatie, en wanneer er licht op het materiaal werd geworpen, genereerde het een stroom. Het effect vindt zelfs plaats als het verlichtingsgebied ver verwijderd is van de elektroden aan beide uiteinden van het monster; dit is anders dan hoe het gewone fotovoltaïsche effect werkt.

De sleutel tot dit gedrag is de manier waarop de WSe₂ en BP zijn op één lijn. De kristallijne structuur van BP heeft reflecterende of spiegel symmetrie in één vlak, terwijl WSe₂ heeft drie lijnen van spiegelsymmetrie. Wanneer de symmetrielijnen van de materialen uitgelijnd zijn, wint het monster aan polariteit. Dit soort stapeling van lagen is delicaat werk, maar het onthult voor onderzoekers ook nieuwe eigenschappen en functies die niet konden worden voorspeld door alleen naar de gewone vorm van de materialen te kijken.

“De grootste uitdaging voor ons zal zijn om een ​​goede combinatie te vinden van 2D-materialen met een hogere efficiëntie voor elektrische opwekking, en ook om het effect te bestuderen van het veranderen van de hoeken van de stapels”, aldus Ideue. “Maar het is zo lonend om nooit eerder vertoonde opkomende eigenschappen van materialen te ontdekken. Hopelijk zou dit onderzoek op een dag zonnepanelen kunnen verbeteren. We zouden graag meer ongekende eigenschappen en functionaliteiten in nanomaterialen willen onderzoeken.”

De studie is gepubliceerd in Wetenschap​