加州大学河滨分校的物理学家通过结合两种不同的无机材料，产生一种可以完全改变太阳能收集方式的量子力学过程，开发出了一种光电探测器——一种感知光线的设备。
光电探测器几乎无处不在，可以在相机、手机、遥控器、太阳能电池甚至航天飞机的面板上找到。这些微型设备只能测量微米，将光转换成电子，随后的运动产生电信号。自发明以来，提高光电转换效率一直是光电探测器构造的主要目标之一。
实验室研究人员将二硒化钨(WSe 2)的两个原子层堆叠在二硒化钼(MoSe 2)的单个原子层上。这种堆叠导致与母层完全不同的特性，允许在最小尺度上定制电子工程。
在原子内部，电子所处的状态决定了它们的能级。当电子从一种状态转移到另一种状态时，它们获得或失去能量。在一定能级以上，电子可以自由移动。一个电子移动到一个较低的能量状态，可以转移足够的能量去击倒另一个电子。
加州大学河滨分校的物理学家观察到，当一个光子撞击WSe 2层时，它会撞击一个电子，并通过WSe 2释放它。在WSe 2和MoSe 2的连接处，电子落入MoSe 2。释放的能量然后将第二个电子从WSe 2投射到MoSe 2，在那里两个电子自由移动并产生电。
“我们看到了一个新现象，”负责该研究小组的物理学助理教授纳撒尼尔m加博尔说。“通常，当电子在能量状态之间跳跃时，它会浪费能量。在我们的实验中，废弃的能量反而产生了另一个电子，使其效率加倍。理解这些过程，以及改进超出理论效率极限的设计，将对设计新的超高效率光伏器件具有广泛的意义。”
这项研究成果发表在今天的《自然纳米技术》杂志上。
“WSe 2中最初被光子激发的电子的能量比WSe 2低，”Gabor量子材料光电实验室的研究生Fatemeh Barati说，他是该研究论文的第一作者之一。“随着小电场的应用，它被转移到MoSe 2，在那里能量相对于这种新材料是高的。意味着它现在可以失去能量了。这种能量以动能的形式消散，从WSe 2中排出额外的电子。”
在现有的太阳能电池板模型中，一个光子最多能产生一个电子。在研究人员开发的原型中，一个光子可以通过一个称为电子倍增的过程产生两个或更多电子。
研究人员解释说，在超小材料中，电子的行为像波一样。虽然在大尺度上并不直观，但是一个光子产生两个电子的过程在非常小的长度尺度上是完全允许的。当一种材料(如WSe 2或MoSe 2)被减薄到接近电子波长的尺寸时，材料的特性开始以一种无法解释、无法预测和神秘的方式发生变化。
“这就像在墙壁之间插入一个波，”Gabor说。“机械量子，它将改变所有的尺度。两种不同的超小材料的结合产生了一种全新的倍增过程。二加二等于五。”
“理想情况下，在太阳能电池中，我们希望光进入多个电子，”Max Grossnickle说，他也是Gabor实验室的研究生，也是一篇研究论文的第一作者。“我们的论文表明这是可能的。”
巴拉蒂指出，提高设备的温度也可以产生更多的电子。
“我们看到设备中的电子在340开尔文(150华氏度)下翻倍，这比室温略高，”她说。“很少有材料在接近室温时表现出这种现象。随着我们提高这个温度，我们应该会看到电子翻倍。”
传统光伏器件中的电子倍增通常需要施加10-100伏特。为了观察电子的倍增，研究人员仅使用1.2伏，这是AA电池提供的典型电压。
“这种低电压操作，因此低功耗，可能预示着光电探测器和太阳能电池材料设计的革命性方向，”格罗斯尼克说。
他解释说，光伏器件的效率取决于简单的竞争：光能转化为废热或有用的电能。
他说，“超薄材料可以通过同时限制发热和增加电子功率，在竞争中取得平衡。”
Gabor解释说，他的团队在他们的装置中观察到的量子力学现象类似于宇宙射线以高动能接触地球大气层时产生的一系列新粒子。
他推测该团队的研究成果可能会以不可预见的方式得到应用。
“这些材料只有原子厚度，几乎透明，”他说。“你可以想象，有一天我们可能会把它们用在油漆或太阳能电池中，并把它们用在窗户上。因为这些材料是柔性的，我们可以想象它们在可穿戴光伏器件中的应用，材料被集成到织物中。例如，我们可以拥有能够产生能量的能源——能量采集技术基本上是看不见的。”
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