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

La luce solare che colpisce una cella solare solitamente ha bisogno di una spinta per far fluire l'elettricità. Nella maggior parte dei pannelli solari, la luce scaglia via gli elettroni, ma questi vagano senza meta finché un campo elettrico integrato, creato unendo due materiali diversi, non li costringe a muoversi in una direzione. È così che funzionano le normali celle solari, e ciò richiede un'architettura interna specifica per funzionare. Tuttavia, la natura offre un modo diverso, più strano, per generare energia dalla luce che non si basa sulla consueta separazione di materiali. In certi cristalli che mancano di un centro di simmetria, la luce può spingere direttamente gli elettroni in una direzione specifica senza alcun aiuto esterno o giunzione interna. Questo fenomeno, noto come effetto fotovoltaico di volume (bulk photovoltaic effect), è stato a lungo una curiosità teorica e una potenziale via per una raccolta di energia più efficiente, ma è stato difficile da sfruttare perché appare tipicamente solo in un piccolo insieme di materiali rari e complessi.

La sfida per gli scienziati è stata trovare un modo per creare questo effetto in materiali facili da lavorare e per capire esattamente come avvenga. Quando i ricercatori provano a costruire questi effetti sovrapponendo strati sottili di materiali diversi l'uno sull'altro, il processo spesso diventa un groviglio intricato. Gli strati interagiscono in molti modi — spostando elettroni tra di essi, cambiando la loro struttura interna e creando i propri campi elettrici — tanto che diventa impossibile distinguere quale parte del sistema stia effettivamente generando l'energia e quale parte stia solo ostacolando il processo. Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo per impilare due materiali specifici, il disolfuro di molibdeno e il seleniuro di tantalio e nichel, in un modello a forma di croce. Facendo questo, hanno creato un dispositivo che produce un massiccia scarica di elettricità dalla luce senza bisogno di batterie o tensione esterna, e sono riusciti a separare le diverse forze fisiche in gioco per capire esattamente perché funzioni.

I ricercatori sono partiti con due materiali molto diversi. Uno, il disolfuro di molibdeno, è un foglio esagonale sottile che è simmetrico e stabile. L'altro, il seleniuro di tantalio e nichel, è un materiale con una struttura a catena che conduce bene l'elettricità e ha una forte direzionalità, il che significa che le sue proprietà cambiano a seconda della direzione da cui lo si guarda. Quando hanno posizionato un foglio del primo materiale direttamente sopra il secondo, la perfetta simmetria dello strato inferiore è stata infranta dalla presenza dello strato superiore. Immaginate di posizionare una piastrella quadrata sopra un tavolo rotondo; la combinazione crea una nuova forma che non è più perfettamente rotonda. In questo caso, la sovrapposizione ha interrotto l'equilibrio interno del materiale inferiore, creando un nuovo paesaggio elettrico irregolare proprio all'interfaccia dove i due si toccano. Questa rottura della simmetria è la chiave che sblocca la capacità di generare una corrente continua dalla luce senza alcuna spinta esterna.

Per vedere se questo nuovo arrangiamento funzionasse davvero, il team ha costruito un dispositivo a forma di croce. Hanno steso una striscia del materiale inferiore, poi hanno posizionato una striscia del materiale superiore trasversalmente ad essa, formando un piccolo quadrato dove si sovrapponevano. Questa forma specifica era cruciale perché permetteva loro di misurare l'elettricità che scorreva lungo la striscia superiore separatamente dall'elettricità che scorreva attraverso la striscia inferiore. Quando hanno proiettato un raggio laser rosso al centro della sovrapposizione, una forte corrente elettrica è apparsa immediatamente, scorrendo lungo la striscia superiore anche se non era collegata alcuna batteria. La tensione misurata era piccola, ma la densità di corrente era enorme, raggiungendo i 247 ampere per centimetro quadrato. Questa prestazione è competitiva con i corrispondenti van der Waals stabiliti, rappresentando un traguardo significativo per questo tipo di effetto.

Il team ha poi dovuto dimostrare che questa elettricità provenisse dall'unica rottura di simmetria all'interfaccia e non da qualche altra causa comune, come i fili metallici che toccano i materiali o semplici effetti di riscaldamento. Hanno scansionato il dispositivo con un minuscolo punto laser focalizzato, muovendolo sulla superficie per mappare esattamente dove veniva generata l'elettricità. I risultati hanno mostrato che la potenza veniva prodotta solo nel piccolo quadrato dove i due materiali si sovrapponevano. Le aree in cui i materiali erano da soli, o dove i fili metallici toccavano i bordi, non producevano alcun segnale. Ciò ha confermato che l'effetto stava avvenendo strettamente al confine tra i due strati, guidato dal modo in cui le loro strutture atomiche interagivano. Inoltre, hanno testato il dispositivo con diversi colori di luce e hanno scoperto che funzionava solo con la luce che il materiale inferiore poteva assorbire, escludendo altri potenziali meccanismi.

Una parte fondamentale della scoperta è stata comprendere che due diverse forze stavano lavorando insieme per rendere l'effetto così forte. In primo luogo, la rottura della simmetria creava una spinta diretta per gli elettroni. In secondo luogo, poiché i due materiali hanno diverse proprietà elettriche naturali, gli elettroni saltavano spontaneamente dallo strato inferiore a quello superiore quando venivano impilati. Ciò ha creato un campo elettrico integrato che agiva come una batteria nascosta, aiutando a separare e guidare gli elettroni generati dalla luce. I ricercatori hanno dimostrato di poter controllare entrambe queste forze. Applicando una tensione alla base di silicio sottostante il dispositivo, potevano cambiare quanti elettroni erano disponibili nello strato inferiore. Applicando una tensione attraverso i due strati, potevano rafforzare o indebolire il campo elettrico integrato. Quando hanno regolato entrambi i controlli contemporaneamente, la quantità di elettricità generata è aumentata di oltre dieci volte rispetto a quando non veniva applicata alcuna tensione extra.

Questo lavoro dimostra che, scegliendo attentamente i materiali e progettando la forma del dispositivo, gli scienziati possono trasformare interazioni complesse in una fonte di energia chiara e potente. I ricercatori hanno dimostrato che la gigantesca scarica di elettricità osservata non era un colpo di fortuna o il risultato di un singolo fattore, ma il risultato di una precisa combinazione di rottura della simmetria e trasferimento di carica. Hanno escluso l'idea che l'effetto derivasse dai bordi del dispositivo o dai contatti metallici, provando invece che il cuore del fenomeno risiede nell'interfaccia microscopica tra i due strati. Le scoperte suggeriscono che questo approccio potrebbe essere utilizzato per progettare una nuova generazione di dispositivi elettronici autoalimentati che possano raccogliere energia dalla luce senza necessitare delle ingombranti giunzioni presenti nelle tradizionali celle solari. Dimostrando che questi effetti possono essere calibrati e amplificati, lo studio apre la strada alla creazione di rilevatori di luce e raccoglitori di energia flessibili, efficienti e altamente sensibili che potrebbero essere integrati in una vasta gamma di tecnologie future.