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

Sonnenlicht, das auf eine Solarzelle trifft, benötigt normalerweise einen Stoß, um Elektrizität fließen zu lassen. In den meisten Solarzellen schlägt das Licht Elektronen aus den Atomen, aber diese wandern ziellos umher, bis ein eingebautes elektrisches Feld, das durch das Zusammenfügen zweier verschiedener Materialien entsteht, sie zwingt, sich in eine Richtung zu bewegen. So funktionieren Standard-Solarzellen, und dies erfordert eine spezifische interne Architektur, um zu funktionieren. Die Natur bietet jedoch einen anderen, seltsameren Weg, um Energie aus Licht zu gewinnen, der nicht auf diese übliche Trennung von Materialien angewiesen ist. In bestimmten Kristallen, denen ein Zentrum der Symmetrie fehlt, kann Licht Elektronen direkt in eine bestimmte Richtung drücken, ohne dass es eine externe Hilfe oder ein internes Übergangsbereich (Junction) nötig ist. Dieses Phänomen, bekannt als der volumetrische Photovoltaik-Effekt (Bulk Photovoltaic Effect), war lange Zeit eine theoretische Kuriosität und ein potenzieller Weg zu einer effizienteren Energiegewinnung, aber es war schwierig zu nutzen, da er typischerweise nur in einer sehr kleinen Auswahl seltener, komplexer Materialien auftritt.

Die Herausforderung für Wissenschaftler bestand darin, einen Weg zu finden, diesen Effekt in Materialien zu erzeugen, die leicht zu bearbeiten sind, und genau zu verstehen, wie er geschieht. Wenn Forscher versuchen, diese Effekte durch das Stapeln dünner Schichten verschiedener Materialien übereinander aufzubauen, wird der Prozess oft zu einem wirren Durcheinander. Die Schichten interagieren auf so viele Arten – sie verschieben Elektronen zwischen ihnen, verändern ihre interne Struktur und erzeugen ihre eigenen elektrischen Felder –, dass es unmöglich wird zu unterscheiden, welcher Teil des Systems tatsächlich die Energie erzeugt und welcher Teil nur im Weg steht. Um dieses Rätsel zu lösen, hat ein Forschungsteam einen neuen Weg entwickelt, zwei spezifische Materialien, Molybdändisulfid und Tantal-Nickel-Selenid, in einem kreuzförmigen Muster zu stapeln. Durch dies haben sie ein Gerät geschaffen, das einen massiven Stromstoß aus Licht erzeugt, ohne dass eine Batterie oder eine externe Spannung benötigt wird, und sie haben es geschafft, die verschiedenen physikalischen Kräfte zu trennen, um genau zu verstehen, warum es funktioniert.

Die Forscher begannen mit zwei sehr unterschiedlichen Materialien. Das eine, Molybdändisulfid, ist eine dünne, hexagonale Schicht, die symmetrisch und stabil ist. Das andere, Tantal-Nickel-Selenid, ist ein Material mit einer kettenartigen Struktur, das Elektrizität gut leitet und eine starke Richtungsabhängigkeit besitzt, was bedeutet, dass sich seine Eigenschaften ändern, je nachdem, aus welcher Richtung man es betrachtet. Als sie eine Schicht des ersten Materials direkt auf das zweite legten, wurde die perfekte Symmetrie der unteren Schicht durch die Anwesenheit der oberen Schicht gebrochen. Stellen Sie sich vor, Sie legen eine quadratische Fliese auf einen runden Tisch; die Kombination erzeugt eine neue Form, die nicht mehr perfekt rund ist. In diesem Fall brach das Stapeln die interne Balance des unteren Materials und schuf eine neue, unebene elektrische Landschaft genau an der Grenzfläche, an der sie sich berühren. Diese gebrochene Symmetrie ist der Schlüssel, der die Fähigkeit freischaltet, einen Gleichstrom aus Licht ohne externen Stoß zu erzeugen.

Um zu sehen, ob diese neue Anordnung tatsächlich funktionierte, bauten das Team ein Gerät in Form eines Kreuzes. Sie legten einen Streifen des unteren Materials aus und platzierten dann einen Streifen des oberen Materials quer darüber, sodass ein kleines Quadrat entstand, in dem sie sich überlappten. Diese spezifische Form war entscheidend, da sie es ermöglichte, den Strom, der entlang des oberen Streifens fließt, separat von dem Strom, der durch den unteren Streifen fließt, zu messen. Als sie einen roten Laserstrahl auf die Mitte der Überlappung richteten, erschien sofort ein starker elektrischer Strom, der entlang des oberen Streifens floss, obwohl keine Batterie angeschlossen war. Die gemessene Spannung war klein, aber die Stromdichte war enorm und erreichte 247 Ampere pro Quadratzentimeter. Diese Leistung ist konkurrenzfähig mit etablierten Van-der-Waals-Gegenstücken und stellt eine bedeutende Errungenschaft für diese Art von Effekt dar.

Das Team musste dann beweisen, dass dieser Strom aus der einzigartigen Symmetriebrechung an der Grenzfläche stammt und nicht von einer anderen häufigen Ursache, wie etwa den Metallkontakten, die die Materialien berühren, oder einfachen Heizeffekten. Sie scannten das Gerät mit einem winzigen, fokussierten Laserpunkt und bewegten ihn über die Oberfläche, um genau zu kartieren, wo die Elektrizität erzeugt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Energie nur in dem kleinen Quadrat produziert wurde, in dem die beiden Materialien überlappten. Die Bereiche, in denen die Materialien allein waren oder wo die Metalldrähte die Kanten berührten, erzeugten kein solches Signal. Dies bestätigte, dass der Effekt strikt an der Grenze zwischen den beiden Schichten stattfand, angetrieben durch die Art und Weise, wie ihre atomaren Strukturen miteinander interagierten. Darüber hinaus testeten sie das Gerät mit verschiedenen Farben des Lichts und fanden heraus, dass es nur mit Licht funktionierte, das das untere Material absorbieren kann, was andere potenzielle Mechanismen ausschloss.

Ein wesentlicher Teil der Entdeckung war das Verständnis, dass zwei verschiedene Kräfte zusammenwirkten, um den Effekt so stark zu machen. Erstens erzeugte das Brechen der Symmetrie einen direkten Stoß für die Elektronen. Zweitens sprangen aufgrund der Tatsache, dass die beiden Materialien unterschiedliche natürliche elektrische Eigenschaften besitzen, die Elektronen beim Stapeln spontan von der unteren Schicht in die obere Schicht. Dies erzeugte ein eingebautes elektrisches Feld, das wie eine versteckte Batterie wirkte und half, die durch das Licht erzeugten Elektronen zu trennen und zu leiten. Die Forscher zeigten, dass sie beide Kräfte kontrollieren konnten. Durch das Anlegen einer Spannung an die darunter liegende Siliziumbasis des Geräts konnten sie verändern, wie viele Elektronen in der unteren Schicht verfügbar sind. Durch das Anlegen einer Spannung über die beiden Schichten konnten sie das eingebaute elektrische Feld stärken oder schwächen. Als sie beide Kontrollen gleichzeitig anpassten, erhöhte sich die Menge der erzeugten Elektrizität um mehr als das Zehnfache im Vergleich zu dem Zustand, in dem keine zusätzliche Spannung angelegt wurde.

Diese Arbeit zeigt, dass Wissenschaftler durch die sorgfältige Auswahl von Materialien und die Gestaltung der Form des Geräts komplexe Interaktionen in eine klare, kraftvolle Energiequelle umwandeln können. Die Forscher zeigten, dass der gewaltige Stromstoß, den sie beobachteten, kein Zufall oder das Ergebnis eines einzelnen Faktors war, sondern das Resultat einer präzisen Kombination aus Symmetriebrechung und Ladungstransfer. Sie widerlegten die Vorstellung, dass der Effekt von den Kanten des Geräts oder von den Metallkontakten kam, und bewiesen stattdessen, dass das Herzstück des Phänomens in der mikroskopischen Grenzfläche zwischen den beiden Schichten liegt. Die Ergebnisse legen nahe, dass dieser Ansatz verwendet werden kann, um eine neue Generation selbstversorgender elektronischer Geräte zu entwerfen, die Energie aus Licht gewinnen können, ohne die sperrigen Übergänge zu benötigen, die in herkömmlichen Solarzellen vorkommen. Indem sie bewiesen haben, dass diese Effekte steuerbar und verstärkbar sind, eröffnet die Studie einen Weg zur Entwicklung flexibler, effizienter und hochsensibler Lichtdetektoren und Energiegewinner, die in eine Vielzahl zukünftiger Technologien integriert werden könnten.