Совместная группа исследователей из Великобритании, Португалии, Кореи и Германии сделала еще один важный шаг в направлении создания коммерчески доступных гибких фотоэлектрических устройств и солнечных элементов, благодаря новым двумерным кристаллам, получившим название полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов (transition-metal dichalcogenides, TMDC).

В отличие от сравнительно толстых, тяжелых и хрупких существующих технологий, эти ультратонкие гетероструктуры могут быть использованы, как покрытие для любой поверхности, которая подвергается воздействию солнечного света, с целью производства электроэнергии.

Как считают сами ученые,

если технология будет развиваться, есть шанс, что она существенно изменит распределение сил в солнечной энергетике.

Как показали исследования группы ученых из University of Manchester (Великобритания) и их коллег из Португалии, Кореи и Германии, электроны в созданных ими структурах гораздо сильнее взаимодействуют со светом. Это означает, что

даже если фрагменты этого материала имеют толщину всего в несколько атомов, большая часть поглощенных фотонов даст возможность получить больший электрический ток.

Добиться столь сильного взаимодействия ученым удалось путем создания подобной сендвичу структуры, содержащей атомарно тонкие слои материалов, каждый из которых играет четко определенную роль. Первый компонент – одноатомный слой нитрида бора – прозрачный диэлектрик, который объединяет весь ансамбль и может рассматриваться, как хлеб в бутерброде. Далее идет лист графена, двумерного слоя атомов углерода, который выполняет роль сборщика электронов, создаваемых TMDC. Кроме того, в структуре задействованы наночастицы золота, позволяющие увеличить количество поглощаемого света за счет плазмонных эффектов.

Как отмечают ученые, созданная ими структура действует, как единое целое. По отдельности каждый из используемых материалов не особо применим для фотовольтаики, но при их совместном использовании (при условии размещения в определенном порядке), можно получить фотовольтаические устройства с очень хорошими характеристиками.

В качестве примера практического применения своей разработки ученым удалось изготовить чрезвычайно эффективные гибкие устройства с фотооткликом порядка 0,1 А/Вт, что эквивалентно внешней квантовой эффективности более 30%.

По словам исследователей, обеспечивают столь высокую эффективность солнечных элементов так называемые сингулярности Ван Хоува, которые приводят к расширению взаимодействия света и вещества, т.е. к лучшему поглощению фотонов и созданию большего количества экситонов (пар электрон – дырка проводимости).

Данные сингулярности были названы в честь бельгийского физика Леона Ван Хоува, который еще в середине прошлого века обнаружил, что электроны, свободно путешествующие через определенные кристаллы, могут «замирать» при определенной частоте и длины волны.

Как говорят ученые,

в этом состоянии электроны становятся чрезвычайно восприимчивыми к любому виду внешнего воздействия, к примеру, к взаимодействию со светом «правильной» частоты. Эту особенность можно использовать для увеличения доли поглощения падающего света, т.е. для более эффективного создания электрического тока.

В данный момент научная группа занята поиском других материалов с сингулярностями Ван Хоува, которые позволили бы еще больше увеличить поглощение света, т.е. повысить квантовую эффективность солнечного элемента.

Кроме того, они рассматривают возможность искусственного производства подобных материалов.

Детальное описание проделанной работы можно найти в журнале Science.