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

A luz solar atingindo uma célula solar geralmente precisa de um empurrão para fazer a eletricidade fluir. Na maioria dos painéis solares, a luz desprende elétrons, mas eles vagam sem rumo até que um campo elétrico interno, criado pela junção de dois materiais diferentes, os force a se mover em uma direção. É assim que as células solares padrão funcionam, e isso requer uma arquitetura interna específica para funcionar. No entanto, a natureza oferece uma maneira diferente e mais estranha de gerar energia da luz que não depende dessa separação usual de materiais. Em certos cristais que carecem de um centro de simetria, a luz pode empurrar diretamente os elétrons em uma direção específica sem qualquer ajuda externa ou junção interna. Esse fenômeno, conhecido como efeito fotovoltaico de volume (bulk photovoltaic effect), tem sido por muito tempo uma curiosidade teórica e um caminho potencial para uma colheita de energia mais eficiente, mas tem sido difícil de aproveitar porque normalmente só aparece em um conjunto muito pequeno de materiais raros e complexos.

O desafio para os cientistas tem sido encontrar uma maneira de criar esse efeito em materiais que sejam fáceis de manipular e de entender exatamente como ele acontece. Quando os pesquisadores tentam construir esses efeitos empilhando camadas finas de diferentes materiais umas sobre as outras, o processo frequentemente se torna uma confusão emaranhada. As camadas interagem de tantas maneiras — deslocando elétrons entre elas, alterando sua estrutura interna e criando seus próprios campos elétricos — que se torna impossível dizer qual parte do sistema está realmente gerando a energia e qual parte está apenas atrapalhando. Para resolver esse quebra-cabeça, uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma nova maneira de empilhar dois materiais específicos, dissulfeto de molibdênio e seleneto de níquel e tântalo, em um padrão de forma de cruz. Ao fazer isso, eles criaram um dispositivo que produz um surto massivo de eletricidade da luz sem necessidade de bateria ou voltagem externa, e conseguiram separar as diferentes forças físicas em jogo para entender exatamente por que funciona.

Os pesquisadores começaram com dois materiais muito diferentes. Um, o dissulfeto de molibdênio, é uma folha hexagonal fina, que é simétrica e estável. O outro, o seleneto de níquel e tântalo, é um material com uma estrutura em forma de cadeia que conduz bem a eletricidade e possui uma forte direcionalidade, o que significa que suas propriedades mudam dependendo de qual direção você olha. Quando eles colocaram uma folha do primeiro material diretamente sobre o segundo, a simetria perfeita da camada inferior foi quebrada pela presença da camada superior. Imagine colocar um azulejo quadrado sobre uma mesa redonda; a combinação cria uma nova forma que não é mais perfeitamente redonda. Neste caso, o empilhamento quebrou o equilíbrio interno do material inferior, criando um novo cenário elétrico desigual exatamente na interface onde os dois se tocam. Essa quebra de simetria é a chave que desbloqueia a capacidade de gerar uma corrente contínua da luz sem qualquer empurrão externo.

Para ver se esse novo arranjo realmente funcionava, a equipe construiu um dispositivo em forma de cruz. Eles colocaram uma tira do material inferior e, em seguida, colocaram uma tira do material superior atravessada sobre ela, formando um pequeno quadrado onde elas se sobrepunham. Esse formato específico era crucial porque permitia que eles medissem a eletricidade fluindo ao longo da tira superior separadamente da eletricidade fluindo através da tira inferior. Quando irradiaram um feixe de laser vermelho no centro da sobreposição, uma forte corrente elétrica apareceu imediatamente, fluindo ao longo da tira superior, mesmo sem nenhuma bateria conectada. A voltagem medida foi pequena, mas a densidade de corrente foi enorme, atingindo 247 amperes por centímetro quadrado. Esse desempenho é competitivo com contrapartes de van der Waals estabelecidas, representando um feito significativo para este tipo de efeito.

A equipe então teve que provar que essa eletricidade vinha da quebra de simetria única na interface e não de alguma outra causa comum, como os fios metálicos tocando os materiais ou simples efeitos de aquecimento. Eles escanearam o dispositivo com um ponto de laser minúsculo e focado, movendo-o pela superfície para mapear exatamente onde a eletricidade estava sendo gerada. Os resultados mostraram que a energia era produzida apenas no pequeno quadrado onde os dois materiais se sobrepunham. As áreas onde os materiais estavam sozinhos, ou onde os fios metálicos tocavam as bordas, não produziram tal sinal. Isso confirmou que o efeito estava ocorrendo estritamente no limite entre as duas camadas, impulsionado pela forma como suas estruturas atômicas interagiam. Além disso, eles testaram o dispositivo com diferentes cores de luz e descobriram que ele só funcionava com luz que o material inferior podia absorver, descartando outros mecanismos potenciais.

Uma parte importante da descoberta foi entender que duas forças diferentes estavam trabalhando juntas para tornar o efeito tão forte. Primeiro, a quebra de simetria criou um empurrão direto para os elétrons. Segundo, como os dois materiais possuem propriedades elétricas naturais diferentes, os elétrons saltaram espontaneamente da camada inferior para a camada superior quando foram empilhados. Isso criou um campo elétrico interno que agiu como uma bateria oculta, ajudando a separar e guiar os elétrons gerados pela luz. Os pesquisadores mostraram que podiam controlar ambas as forças. Ao aplicar uma voltagem à base de silício abaixo do dispositivo, eles podiam alterar quantos elétrons estavam disponíveis na camada inferior. Ao aplicar uma voltagem através das duas camadas, eles podiam fortalecer ou enfraquecer o campo elétrico interno. Quando ajustaram ambos os controles ao mesmo tempo, a quantidade de eletricidade gerada aumentou mais de dez vezes em comparação a quando nenhuma voltagem extra era aplicada.

Este trabalho demonstra que, ao escolher cuidadosamente os materiais e projetar a forma do dispositivo, os cientistas podem transformar interações complexas em uma fonte clara e poderosa de energia. Os pesquisadores mostraram que o surto gigante de eletricidade que observaram não foi um acaso ou resultado de um único fator, mas o resultado de uma combinação precisa de quebra de simetria e transferência de carga. Eles descartaram a ideia de que o efeito vinha das bordas do dispositivo ou dos contatos metálicos, provando, em vez disso, que o coração do fenômeno reside na interface microscópica entre as duas camadas. As descobertas sugerem que esta abordagem pode ser usada para projetar uma nova geração de dispositivos eletrônicos autoalimentados que podem colher energia da luz sem precisar das junções volumosas encontradas nas células solares tradicionais. Ao provar que esses efeitos podem ser ajustados e amplificados, o estudo abre um caminho para a criação de detectores de luz flexíveis, eficientes e altamente sensíveis e coletores de energia que poderiam ser integrados em uma ampla variedade de tecnologias futuras.