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

La luz solar que incide sobre una célula solar normalmente necesita un impulso para que la electricidad fluya. En la mayoría de los paneles solares, la luz desprende electrones, pero estos vagan sin rumbo hasta que un campo eléctrico integrado, creado al unir dos tipos diferentes de materiales, los obliga a moverse en una dirección. Así es como funcionan las células solares estándar, y esto requiere una arquitectura interna específica para funcionar. Sin embargo, la naturaleza ofrece una forma diferente y más extraña de generar energía a partir de la luz que no depende de esta separación habitual de materiales. En ciertos cristales que carecen de un centro de simetría, la luz puede empujar directamente a los electrones en una dirección específica sin ninguna ayuda externa o unión interna. Este fenómeno, conocido como el efecto fotovoltaico de volumen (bulk photovoltaic effect), ha sido durante mucho tiempo una curiosidad teórica y una vía potencial para una recolección de energía más eficiente, pero ha sido difícil de aprovechar porque normalmente solo aparece en un conjunto muy pequeño de materiales raros y complejos.

El desafío para los científicos ha sido encontrar una manera de crear este efecto en materiales que sean fáciles de manipular y de comprender exactamente cómo sucede. Cuando los investigadores intentan construir estos efectos apilando capas delgadas de diferentes materiales unas sobre otras, el proceso a menudo se convierte en un lío enredado. Las capas interactúan de muchas maneras —desplazando electrones entre ellas, cambiando su estructura interna y creando sus propios campos eléctricos— de modo que resulta imposible distinguir qué parte del sistema está generando realmente la energía y qué parte simplemente está estorbando. Para resolver este rompecabezas, un equipo de investigadores ha desarrollado una nueva forma de apilar dos materiales específicos, disulfuro de molibdeno y seleniuro de tantalio y níquel, en un patrón en forma de cruz. Al hacer esto, han creado un dispositivo que produce una enorme oleada de electricidad a partir de la luz sin necesidad de batería ni voltaje externo, y han logrado separar las diferentes fuerzas físicas en juego para entender exactamente por qué funciona.

Los investigadores partieron de dos materiales muy diferentes. Uno, el disulfuro de molibdeno, es una lámina hexagonal delgada que es simétrica y estable. El otro, el seleniuro de tantalio y níquel, es un material con una estructura de tipo cadena que conduce bien la electricidad y tiene una fuerte direccionalidad, lo que significa que sus propiedades cambian dependiendo de hacia dónde se mire. Cuando colocaron una lámina del primer material directamente sobre la segunda, la simetría perfecta de la capa inferior fue rota por la presencia de la capa superior. Imagine colocar una baldosa cuadrada sobre una mesa redonda; la combinación crea una nueva forma que ya no es perfectamente redonda. En este caso, el apilamiento rompió el equilibrio interno del material inferior, creando un nuevo paisaje eléctrico desigual justo en la interfaz donde ambos se tocan. Esta ruptura de simetría es la llave que desbloquea la capacidad de generar una corriente continua de la luz sin ningún impulso externo.

Para ver si este nuevo arreglo realmente funcionaba, el equipo construyó un dispositivo con forma de cruz. Colocaron una tira del material inferior, luego colocaron una tira del material superior a través de ella, formando un pequeño cuadrado donde se superponían. Esta forma específica fue crucial porque les permitió medir la electricidad que fluía a lo largo de la tira superior por separado de la electricidad que fluía a través de la tira inferior. Cuando iluminaron el centro del traslape con un haz de láser rojo, apareció inmediatamente una fuerte corriente eléctrica, fluyendo a lo largo de la tira superior a pesar de que no había ninguna batería conectada. El voltaje que midieron era pequeño, pero la densidad de corriente era enorme, alcanzando los 247 amperios por centímetro cuadrado. Este rendimiento es competitivo con los homólogos de van der Waals establecidos, lo que representa un logro significativo para este tipo de efecto.

El equipo tuvo que demostrar que esta electricidad provenía de la singular ruptura de simetría en la interfaz y no de alguna otra causa común, como los cables metálicos tocando los materiales o simples efectos de calentamiento. Escanearon el dispositivo con un punto de láser diminuto y enfocado, moviéndolo a través de la superficie para mapear exactamente dónde se estaba generando la electricidad. Los resultados mostraron que la potencia se producía únicamente en el pequeño cuadrado donde los dos materiales se superponían. Las áreas donde los materiales estaban solos, o donde los cables metálicos tocaban los bordes, no produjeron tal señal. Esto confirmó que el efecto estaba ocurriendo estrictamente en el límite entre las dos capas, impulsado por la forma en que sus estructuras atómicas interactuaban. Además, probaron el dispositivo con diferentes colores de luz y descubrieron que solo funcionaba con la luz que el material inferior podía absorber, descartando otros mecanismos potenciales.

Una parte importante del descubrimiento fue comprender que dos fuerzas diferentes estaban trabajando juntas para hacer que el efecto fuera tan fuerte. Primero, la ruptura de la simetría creó un impulso directo para los electrones. Segundo, debido a que los dos materiales tienen propiedades eléctricas naturales diferentes, los electrones saltaron espontáneamente de la capa inferior a la superior cuando fueron apilados. Esto creó un campo eléctrico integrado que actuó como una batería oculta, ayudando a separar y guiar los electrones generados por la luz. Los investigadores demostraron que podían controlar ambas fuerzas. Al aplicar un voltaje a la base de silicio debajo del dispositivo, podían cambiar cuántos electrones estaban disponibles en la capa inferior. Al aplicar un voltaje a través de las dos capas, podían fortalecer o debilitar el campo eléctrico integrado. Cuando ajustaron ambos controles al mismo tiempo, la cantidad de electricidad generada aumentó más de diez veces en comparación con cuando no se aplicaba voltaje adicional.

Este trabajo demuestra que, mediante la elección cuidadosa de materiales y el diseño de la forma del dispositivo, los científicos pueden convertir interacciones complejas en una fuente de energía clara y poderosa. Los investigadores demostraron que la enorme oleada de electricidad que observaron no fue un golpe de suerte o el resultado de un solo factor, sino el resultado de una combinación precisa de ruptura de simetría y transferencia de carga. Descartaron la idea de que el efecto proviniera de los bordes del dispositivo o de los contactos metálicos, probando en cambio que el corazón del fenómeno reside en la interfaz microscópica entre las dos capas. Los hallazgos sugieren que este enfoque podría utilizarse para diseñar una nueva generación de dispositivos electrónicos autoalimentados que puedan recolectar energía de la luz sin necesidad de las voluminosas uniones que encuentran las células solares tradicionales. Al demostrar que estos efectos pueden ajustarse y amplificarse, el estudio abre un camino hacia la creación de detectores de luz y recolectores de energía flexibles, eficientes y altamente sensibles que podrían integrarse en una amplia variedad de tecnologías futuras.