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Two Dimensional Materials for Photonic Devices

Projektbeschreibung

2D-Materialien für effiziente Photodetektoren und Solarzellen

Zur Erzeugung kostengünstiger und hocheffizienter Photodetektoren und Solarzellen konzentriert sich die wissenschaftliche Forschung vornehmlich auf eine neue Generation von Halbleitern. Die Herstellung dieser optoelektronischen Bauelemente im industriellen Maßstab wirft jedoch Bedenken auf technologischer, wirtschaftlicher, ökologischer und politischer Ebene auf. 2D-Übergangsmetall-Dichalkogenide wie MoS2 und WS2 erscheinen hier eine vielversprechende Lösung zu bieten, da sich diese Materialien durch Langzeitstabilität auszeichnen sowie leicht zu verarbeiten und reichlich vorhanden sind. Für die Photovoltaik stellt die begrenzte Absorption der Dicke allerdings eine generelle Herausforderung dar. Daher schlägt das EU-finanzierte Projekt 2D_PHOT nun eine photonische Nanostrukturierung vor, um die Lichternte in diesen Bauelementen zu maximieren. Das Projekt wird einen effizienten Photodetektor und eine Solarzelle durch Integration des photonischen Designs entwerfen und herstellen und eine erhöhte Leistung in einem Metall-Rückreflektor/Übergangsmetall-Dichalkogenid/Graphen-Bauelement demonstrieren.

Ziel

The need for inexpensive yet highly efficient photodetectors and solar cells is driving the search for a new generation of semiconductors that have high absorbance in the visible, broad wavelength operation range, are transparent and flexible albeit with strong light-matter interaction, and are easy to process. Manufacturing these optoelectronic devices at a large scale involves concerns at technological, economical, ecological, social and political levels. Ideally, the new materials are abundant, easily processed and feature long term stability and non-toxicity. The advent of 2D transition metal dichalcogenides (TMDCs). e.g. MoS2 and WS2, has generated great expectations since these materials fulfill all these requirements. 2D-TMDCs exhibit direct band gaps, high absorption coefficients, and high carrier mobility values, making them promising candidates for optoelectronic applications. The out-of-plane quantum confinement responsible for the direct bandgap in the monolayer, also allows for the modulation of the bandgap as a function of the number of layers. However, for photovoltaics (PV), even if transparency is an important attribute in some niche markets, e.g. building-integrated PV, thickness-limited absorption poses a challenge in general. To overcome this issue, we propose a photonic nanostructuration to maximize light harvesting in these devices. We will combine strong interference effects based in the small penetration in a metallic substrate and the light trapping due to the nanostructuration by lithography of TMDCs over a metallic substrate. Resonators with high-quality factors will have potential applications in light harvesting devices, such as photodetectors, but also in solar cells. We will design and fabricate such an efficient photodetector, and also a solar cell incorporating the photonic design, and demonstrate enhanced performance in a metal back reflector/TMDC/graphene device.

Koordinator

INTERNATIONAL IBERIAN NANOTECHNOLOGY LABORATORY
Netto-EU-Beitrag
€ 159 815,04
Adresse
AVENIDA MESTRE JOSE VEIGA
4715-330 Braga
Portugal

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Region
Continente Norte Cávado
Aktivitätstyp
Research Organisations
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Gesamtkosten
€ 159 815,04