Giant bulk photovoltaic effect driven by interfacial symmetry breaking in MoS2/Ta2NiSe5 heterostructures

عادة ما يحتاج سقوط ضوء الشمس على الخلية الشمسية إلى دفعة لجعل الكهرباء تتدفق. في معظم الألواح الشمسية، يقوم الضوء بخلخلة الإلكترونات، لكنها تظل تتجول بلا هدف حتى يجبرها مجال كهربائي داخلي، ناتج عن دمج نوعين مختلفين من المواد، على التحرك في اتجاه واحد. هكذا تعمل الخلايا الشمسية القياسية، وهذا يتطلب بنية داخلية محددة لتعمل. ومع ذلك، تقدم الطبيعة طريقة أخرى، أكثر غرابة، لتوليد الطاقة من الضوء لا تعتمد على هذا الفصل المعتاد بين المواد. ففي بعض البلورات التي تفتقر إلى مركز التماثل، يمكن للضوء أن يدفع الإلكترونات مباشرة في اتجاه معين دون أي مساعدة خارجية أو وصلة داخلية. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التأثير الكهروضوئي الحجمي (bulk photovoltaic effect)، كانت لفترة طويلة فضولاً نظرياً ومساراً محتملاً لحصاد طاقة أكثر كفاءة، ولكن كان من الصعب تسخيرها لأنها تظهر عادةً فقط في مجموعة صغيرة جداً من المواد النادرة والمعقدة.

كان التحدي الذي يواجه العلماء هو إيجاد طريقة لخلق هذا التأثير في مواد سهلة التعامل معها وفهم كيفية حدوثه بدقة. فعندما يحاول الباحثون بناء هذه التأثيرات عن طريق تكديم طبقات رقيقة من مواد مختلفة فوق بعضها البعض، غالباً ما تصبح العملية فوضى متشابكة. تتفاعل الطبقات بطرق عديدة—من خلال نقل الإلكترونات بينها، وتغيير بنيتها الداخلية، وخلق مجالاتها الكهربائية الخاصة—مما يجعل من المستحيل معرفة أي جزء من النظام هو الذي يولد الطاقة بالفعل وأي جزء هو الذي يعيق العمل فحسب. ولحل هذا اللغز، طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لتكديس مادتين محددتين، وهما ثنائي كبريتيد الموليبدينوم وسيلينيد تانتالوم النيكل، في نمط على شكل صليب. ومن خلال القيام بذلك، نجحوا في إنشاء جهاز ينتج طفرة هائلة من الكهرباء من الضوء دون الحاجة إلى بطارية أو جهد خارجي، وتمكنوا من فصل القوى الفيزيائية المختلفة المتداخلة لفهم سبب عمله بالضبط.

بدأ الباحثون بمادتين مختلفتين تماماً. الأولى، ثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهي ورقة سداسية رقيقة ومتماثلة ومستقرة. والأخرى، سيلينيد تانتالوم النيكل، وهي مادة ذات بنية تشبه السلسلة وتوصل الكهرباء جيداً ولها اتجاهية قوية، مما يعني أن خصائصها تتغير اعتماداً على الاتجاه الذي تنظر منه. وعندما وضعوا ورقة من المادة الأولى مباشرة فوق الثانية، انكسرت التماثل المثالي للطبقة السفلية بسبب وجود الطبقة العلوية. تخيل وضع بلاطة مربعة فوق طاولة مستديرة؛ فإن الجمع بينهما يخلق شكلاً جديداً لم يعد مستديراً تماماً. في هذه الحالة، أدى التكديس إلى كسر التوازن الداخلي للمادة السفلية، مما خلق مشهداً كهربائياً جديداً غير متساوٍ عند الواجهة حيث تتلامسان. هذا الكسر في التماثل هو المفتاح الذي يفتح القدرة على توليد تيار مستمر من الضوء دون أي دفعة خارجية.

وللتأكد مما إذا كان هذا الترتيب الجديد قد نجح بالفعل، قام الفريق ببناء جهاز على شكل صليب. فقد وضعوا شريطاً من المادة السفلية، ثم وضعوا شريطاً من المادة العلوية عبره، مكونين مربعاً صغيراً حيث يتداخلان. كان هذا الشكل المحدد حاسماً لأنه سمح لهم بقياس الكهرباء المتدفقة على طول الشريط العلوي بشكل منفصل عن الكهرباء المتدفقة عبر الشريط السفلي. وعندما سلطوا شعاع ليزر أحمر على مركز التداخل، ظهر تيار كهربائي قوي على الفور، يتدفق على طول الشريط العلوي رغم عدم توصيل أي بطارية. كان الجهد الذي قاسوه صغيراً، لكن كثافة التيار كانت هائلة، حيث وصلت إلى 247 أمبير لكل سنتيمتر مربع. هذا الأداء ينافس نظراء "فان دير فالس" (van der Waals) الراسخين، ويمثل إنجازاً كبيراً لهذا النوع من التأثير.

كان على الفريق بعد ذلك إثبات أن هذه الكهرباء ناتجة عن كسر التماثل الفريد عند الواجهة وليس عن سبب شائع آخر، مثل الأسلاك المعدنية التي تلمس المواد أو تأثيرات التسخين البسيطة. قاموا بمسح الجهاز باستخدام نقطة ليزر مركزة وصغيرة، وتحريكها عبر السطح لرسم خريطة لمكان توليد الكهرباء بالضبط. أظهرت النتائج أن الطاقة تُنتج فقط في المربع الصغير حيث تتداخل المادتان. أما المناطق التي كانت فيها المواد بمفردها، أو حيث تلمس الأسلاك المعدنية الحواف، فلم تنتج أي إشارة مماثلة. أكد هذا أن التأثير يحدث حصرياً عند الحد الفاصل بين الطبقتين، مدفوعاً بالطريقة التي تتفاعل بها بنياتهما الذرية. علاوة على ذلك، اختبروا الجهاز بألوان مختلفة من الضوء ووجدوا أنه يعمل فقط مع الضوء الذي يمكن للمادة السفلية امتصاصه، مما استبعد الآليات الأخرى المحتملة.

كان جزء كبير من الاكتشاف هو فهم أن قوتين مختلفتين تعملان معاً لجعل التأثير قوياً بهذا الشكل. أولاً، أدى كسر التماثل إلى خلق دفعة مباشرة للإلكترونات. ثانياً، ولأن المادتين تمتلكان خصائص كهربائية طبيعية مختلفة، فقد قفزت الإلكترونات تلقائياً من الطبقة السفلية إلى الطبقة العلوية عند تكدسهما. وقد خلق هذا مجالاً كهربائياً داخلياً يعمل مثل بطارية مخفية، يساعد في فصل وتوجيه الإلكترونات المتولدة من الضوء. أظهر الباحثون أنه يمكنهم التحكم في كلتا هاتين القوتين. فمن خلال تطبيق جهد على قاعدة السيليكون الموجودة تحت الجهاز، يمكنهم تغيير عدد الإلكترونات المتاحة في الطبقة السفلية. ومن خلال تطبيق جهد عبر الطبقتين، يمكنهم تقوية أو إضعاف المجال الكهربائي الداخلي. وعندما قاموا بضبط كلا التحكمين في وقت واحد، زادت كمية الكهرباء المتولدة بأكثر من عشرة أضعاف مقارنة بما كانت عليه عند عدم تطبيق أي جهد إضافي.

يوضح هذا العمل أنه من خلال الاختيار الدقيق للمواد وتصميم شكل الجهاز، يمكن للعلماء تحويل التفاعلات المعقدة إلى مصدر واضح وقوي للطاقة. لقد أثبت الباحثون أن الطفرة الهائلة من الكهرباء التي لاحظوها لم تكن محض صدفة أو نتيجة لعامل واحد، بل كانت نتيجة مزيج دقيق من كسر التماثل ونقل الشحنة. لقد استبعدوا فكرة أن التأثير جاء من حواف الجهاز أو من التوصيلات المعدنية، وأثبتوا بدلاً من ذلك أن قلب الظاهرة يكمن في الواجهة المجهرية بين الطبقتين. وتشير النتائج إلى إمكانية استخدام هذا النهج لتصميم جيل جديد من الأجهزة ذاتية التشغيل التي يمكنها حصاد الطاقة من الضوء دون الحاجة إلى الوصلات الضخمة الموجودة في الخلايا الشمسية التقليدية. ومن خلال إثبات إمكانية ضبط وتضخيم هذه التأثيرات، يفتح هذا البحث مساراً نحو إنشاء كواشف ضوئية وحاصدات طاقة مرنة وفعالة وعالية الحساسية يمكن دمجها في مجموعة متنوعة من التقنيات المستقبلية.