Los físicos de la Universidad de California, Riverside han desarrollado un fotodetector, un dispositivo que detecta la luz, combinando dos materiales inorgánicos distintos y produciendo procesos mecánicos cuánticos que podrían revolucionar la forma en que se recolecta la energía solar.
Los fotodetectores son casi omnipresentes, se encuentran en cámaras, teléfonos celulares, controles remotos, células solares e incluso en los paneles de transbordadores espaciales. Midiendo solo micras de ancho, estos pequeños dispositivos convierten la luz en electrones, cuyo movimiento posterior genera una señal electrónica.La eficiencia de la conversión de luz a electricidad ha sido uno de los objetivos principales en la construcción del fotodetector desde su invención.
Los investigadores de laboratorio apilaron dos capas atómicas de diselenuro de tungsteno WSe 2 en una sola capa atómica de diselenuro de molibdeno MoSe 2 .Tal apilamiento da como resultado propiedades muy diferentes de las de las capas principales, lo que permite una ingeniería electrónica personalizada a la escala más pequeña posible.
Dentro de los átomos, los electrones viven en estados que determinan su nivel de energía. Cuando los electrones se mueven de un estado a otro, adquieren o pierden energía. Por encima de cierto nivel de energía, los electrones pueden moverse libremente. Un electrón se mueve a un estado de energía más bajopuede transferir suficiente energía para liberar otro electrón.
los físicos de UC Riverside observaron que cuando un fotón golpea el WSe 2 capa, libera un electrón y lo libera para conducirlo a través del WSe 2 . En el cruce entre WSe 2 y MoSe 2 , el electrón cae en MoSe 2 . La energía emitida luego catapulta un segundo electrón del WSe 2 en el MoSe 2 , donde ambos electrones se liberan para moverse y generar electricidad.
"Estamos viendo un fenómeno nuevo", dijo Nathaniel M. Gabor, profesor asistente de física, que dirigió el equipo de investigación. "Normalmente, cuando un electrón salta entre estados de energía, desperdicia energía. En nuestro experimento, elen cambio, la energía residual crea otro electrón, duplicando su eficiencia. La comprensión de tales procesos, junto con diseños mejorados que superan los límites de eficiencia teóricos, tendrá una gran importancia con respecto al diseño de nuevos dispositivos fotovoltaicos ultraeficientes ".
Los resultados del estudio aparecen hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"El electrón en WSe 2 que inicialmente es energizado por el fotón tiene una energía baja con respecto a WSe 2 ", dijo Fatemeh Barati, un estudiante graduado en el laboratorio de Optoelectrónica de Materiales Cuánticos de Gabor y coautor del artículo de investigación." Con la aplicación de un pequeño campo eléctrico, se transfiere a MoSe 2 , donde su energía, con respecto a este nuevo material, es alta. Es decir, ahora puede perder energía. Esta energía se disipa como energía cinética que desaloja el electrón adicional de WSe 2 . "
En los modelos de paneles solares existentes, un fotón puede como máximo generar un electrón. En el prototipo desarrollado por los investigadores, un fotón puede generar dos electrones o más a través de un proceso llamado multiplicación de electrones.
Los investigadores explicaron que en los materiales ultrapequeños, los electrones se comportan como ondas. Aunque no es intuitivo a grandes escalas, el proceso de generar dos electrones a partir de un fotón es perfectamente permisible a escalas de longitud extremadamente pequeñas. Cuando un material, como WSe 2 o MoSe 2 , se reduce a dimensiones cercanas a la longitud de onda del electrón, las propiedades del material comienzan a cambiar de maneras inexplicables, impredecibles y misteriosas.
"Es como una ola atrapada entre las paredes que se cierran", dijo Gabor. "Mecánicamente cuántica, esto cambia todas las escalas. La combinación de dos materiales ultra pequeños diferentes da lugar a un proceso de multiplicación completamente nuevo. Dos más dos equivalen a cinco."
"Idealmente, en una célula solar querríamos que la luz entrara para convertirse en varios electrones", dijo Max Grossnickle, también estudiante de posgrado en el laboratorio de Gabor y coautor del trabajo de investigación. "Nuestro trabajo muestra que esto es posible"
Barati señaló que también se podrían generar más electrones al aumentar la temperatura del dispositivo.
"Vimos una duplicación de electrones en nuestro dispositivo a 340 grados Kelvin 150 F, que está ligeramente por encima de la temperatura ambiente", dijo. "Pocos materiales muestran este fenómeno alrededor de la temperatura ambiente. A medida que aumentamos esta temperatura, deberíamosver más que una duplicación de electrones "
La multiplicación de electrones en dispositivos de fotocélula convencionales generalmente requiere voltajes aplicados de 10-100 voltios. Para observar la duplicación de electrones, los investigadores usaron solo 1.2 voltios, el voltaje típico suministrado por una batería AA.
"Tal operación de bajo voltaje y, por lo tanto, bajo consumo de energía, puede anunciar una dirección revolucionaria en el diseño de fotodetectores y material de células solares", dijo Grossnickle.
Explicó que la eficiencia de un dispositivo fotovoltaico se rige por una simple competencia: la energía de la luz se convierte en calor residual o energía electrónica útil.
"Los materiales ultrafinos pueden inclinar la balanza en esta competencia al limitar simultáneamente la generación de calor y al mismo tiempo aumentar la potencia electrónica", dijo.
Gabor explicó que el fenómeno de la mecánica cuántica que su equipo observó en su dispositivo es similar a lo que ocurre cuando los rayos cósmicos, que entran en contacto con la atmósfera de la Tierra con alta energía cinética, producen una serie de nuevas partículas.
Especuló que los hallazgos del equipo podrían encontrar aplicaciones de formas imprevistas.
"Estos materiales, que tienen un espesor de un átomo, son casi transparentes", dijo. "Es concebible que algún día los veamos incluidos en la pintura o en las células solares incorporadas en las ventanas. Debido a que estos materiales son flexibles, podemos imaginarsu aplicación en sistemas fotovoltaicos portátiles, con los materiales integrados en el tejido. Podríamos tener, por ejemplo, un traje que genere energía: tecnología de recolección de energía que sería esencialmente invisible ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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