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

Zonlicht dat een zonnecel raakt, heeft meestal een duwtje nodig om elektriciteit te laten stromen. In de meeste zonnepanelen slaat het licht elektronen los, maar ze dwalen doelloos rond totdat een ingebouwd elektrisch veld, gecreëerd door het samenvoegen van twee verschillende soorten materialen, ze dwingt om in één richting te bewegen. Dit is hoe standaard zonnecellen werken, en het vereist een specifieke interne architectuur om te kunnen functioneren. De natuur biedt echter een andere, vreemdere manier om energie uit licht te genereren die niet afhankelijk is van deze gebruikelijke scheiding van materialen. In bepaalde kristallen die geen symmetriecentrum hebben, kan licht elektronen direct in een specifieke richting duwen zonder enige externe hulp of intern junctie. Dit fenomeen, bekend als het bulk fotovoltaïsch effect, is lang een theoretische curiositeit en een potentiële weg naar efficiëntere energieopvang geweest, maar het is moeilijk te benutten omdat het doorgaans alleen voorkomt in een zeer kleine set van zeldzame, complexe materialen.

De uitdaging voor wetenschappers is geweest om een manier te vinden om dit effect te creëren in materialen die gemakkelijk te bewerken zijn en om precies te begrijpen hoe het gebeurt. Wanneer onderzoekers proberen deze effecten te bouwen door dunne lagen van verschillende materialen op elkaar te stapelen, wordt het proces vaak een verwarrende bende. De lagen interageren op zoveel manieren—het verschuiven van elektronen tussen hen, het veranderen van hun interne structuur en het creëren van hun eigen elektrische velden—dat het onmogelijk wordt om te bepalen welk deel van het systeem daadwerkelijk de energie genereert en welk deel slechts in de weg zit. Om dit puzzelstuk op te lossen, heeft een team onderzoekers een nieuwe manier ontwikkend om twee specifieke materialen, molybdeendisulfide en tantaalnikkelselenide, in een kruisvormig patroon op elkaar te stapelen. Door dit te doen, hebben ze een apparaat gecreëerd dat een enorme stroom aan elektriciteit produceert uit licht zonder batterij of externe spanning nodig te hebben, en ze zijn erin geslaagd de verschillende fysieke krachten die in het spel zijn te scheiden om precies te begrijpen waarom het werkt.

De onderzoekers begonnen met twee zeer verschillende materialen. De ene, molybdeendisulfide, is een dunne, hexagonale plaat die symmetrisch en stabiel is. De andere, tantaalnikkelselenide, is een materiaal met een ketenachtige structuur dat elektriciteit goed geleidt en een sterke directionaliteit heeft, wat betekent dat de eigenschappen veranderen afhankelijk van de richting waarin je kijkt. Wanneer ze een plaat van het eerste materiaal direct bovenop het tweede plaatten, werd de perfecte symmetrie van de onderste laag doorbroken door de aanwezigheid van de bovenste laag. Stel je voor dat je een vierkante tegel op een ronde tafel plaatst; de combinatie creëert een nieuwe vorm die niet langer perfect rond is. In dit geval verbrak de stapeling de interne balans van het onderste materiaal, waardoor een nieuw, ongelijkmatig elektrisch landschap ontstond precies op het grensvlak waar ze elkaar raken. Deze gebroken symmetrie is de sleutel die het vermogen ontgrendelt om een directe stroom uit licht te genereren zonder externe duw.

Om te zien of deze nieuwe opstelling daadwerkelijk werkte, bouwde het team een apparaat in de vorm van een kruis. Ze legden een strook van het onderste materiaal neer, en plaatsten daarna een strook van het bovenste materiaal dwars over de eerste, waardoor een klein vierkant ontstond waar ze elkaar overlappen. Deze specifieke vorm was cruciaal omdat het hen in staat stelde de elektriciteit die langs de bovenste strook stroomt apart te meten van de elektriciteit die door de onderste strook stroomt. Wanneer ze een rode laserstraal op het midden van de overlap schijnen, verscheen er onmiddellijk een sterke elektrische stroom, die langs de bovenste strook stroomde, zelfs toen er geen batterij was aangesloten. De gemeten spanning was klein, maar de stroomdichtheid was enorm, bereikend tot 247 ampère per vierkante centimeter. Deze prestatie is concurrerend met gevestigde van der Waals-tegenhangers, wat een belangrijke prestatie is voor dit type effect.

Het team moest vervolgens bewijzen dat deze elektriciteit kwam van de unieke symmetrie-doorbreking bij het grensvlak en niet van een andere veelvoorkomende oorzaak, zoals de metalen draden die de materialen raken of eenvoudige opwarmingseffecten. Ze scanden het apparaat met een kleine, gefocuste laserplek, waarbij ze over het oppervlak bewogen om precies in kaart te brengen waar de elektriciteit werd gegenereerd. De resultaten toonden aan dat de energie alleen werd geproduceerd in het kleine vierkant waar de twee materialen elkaar overlappen. De gebieden waar de materialen alleen waren, of waar de metalen draden de randen raakten, produceerden geen dergelijk signaal. Dit bevestigde dat het effect strikt plaatsvond op de grens tussen de twee lagen, gedreven door de manier waarop hun atomaire structuren met elkaar interageren. Bovendien testten ze het apparaat met verschillende kleuren licht en ontdekten ze dat het alleen werkte met licht dat het onderste materiaal kon absorberen, wat andere mogelijke mechanismen uitsluit.

Een groot deel van de ontdekking was het begrijpen dat twee verschillende krachten samenwerkten om het effect zo sterk te maken. Ten eerste creëerde het breken van de symmetrie een directe duw voor de elektronen. Ten tweede, omdat de twee materialen verschillende natuurlijke elektrische eigenschappen hebben, sprongen elektronen spontaan van de onderste laag naar de bovenste laag wanneer ze werden gestapeld. Dit creëerde een ingebouwd elektrisch veld dat fungeerde als een verborgen batterij, wat hielp om de door licht gegenereerde elektronen te scheiden en te leiden. De onderzoekers lieten zien dat ze beide krachten konden controleren. Door een spanning toe te passen op de siliciumbasis onder het apparaat, konden ze veranderen hoeveel elektronen beschikbaar waren in de onderste laag. Door een spanning over de twee lagen aan te leggen, konden ze het ingebouwde elektrische veld versterken of verzwakken. Wanneer ze beide controles tegelijkertijd aanpasten, nam de hoeveelheid gegenereerde elektriciteit met meer dan tien keer toe in vergelijking met wanneer er geen extra spanning werd toegepast.

Dit werk toont aan dat wetenschappers, door zorgvuldig materialen te kiezen en de vorm van het apparaat te ontwerpen, complexe interacties kunnen omzetten in een duidelijke, krachtige energiebron. De onderzoekers toonden aan dat de enorme stroom aan elektriciteit die ze observeerden geen toevalstreffer of het resultaat van een enkele factor was, maar het resultaat van een precieze combinatie van symmetrie-doorbreking en ladingsoverdracht. Ze spraken de mogelijkheid uit dat het effect voortkwam uit de randen van het apparaat of van de metaalcontacten, en bewezen in plaats daarvan dat het hart van het fenomeen ligt in het microscopische grensvlak tussen de twee lagen. De bevindingen suggereren dat deze aanpak gebruikt kan worden om een nieuwe generatie zelfvoorzienende elektronische apparaten te ontwerpen die energie kunnen oogsten uit licht zonder de omvangrijke juncties die in traditionele zonnecellen worden gevonden. Door te bewijzen dat deze effecten kunnen worden afgestemd en versterkt, opent de studie een pad naar het creëren van flexibele, efficiënte en zeer gevoelige lichtdetectoren en energie-oogsters die geïntegreerd kunnen worden in een breed scala aan toekomstige technologieën.