Investigadores de la Universidad de Kyoto en Japón han desarrollado un dispositivo de heteroestructura artificial que permite el control magnético de la corriente de inyección en el BPVE, abordando potencialmente barreras clave para su uso en células solares comerciales.
El BPVE es un fenómeno en el que un material genera una corriente eléctrica directa cuando se ilumina, incluso sin una unión p-n tradicional o heterounión. A diferencia del efecto fotovoltaico convencional, el BPVE ocurre en materiales homogéneos de fase única que carecen de simetría de inversión.
«Otra corriente se materializa cuando hay una ruptura en la simetría de inversión temporal, o la simetría de las leyes físicas cuando el flujo del tiempo se invierte», explicaron los científicos. «Dado que la simetría de inversión temporal se rompe en materiales magnéticos, se espera que surjan nuevos efectos relacionados con el BPVE en sistemas magnéticos, pero muchos aspectos de estos sistemas permanecen sin explicación tanto teórica como experimentalmente».
Con esto en mente, crearon un dispositivo de heteroestructura de van der Waals (vdW) que combina un semiconductor bidimensional de monocapa basado en disulfuro de molibdeno (MoS₂) y un material magnético en capas hecho de tiofosfato de cromo (CrPS₄). La configuración está diseñada para imitar la ruptura de la simetría espacial y de inversión temporal.
El MoS₂ de monocapa y el CrPS₄ multicapa fueron exfoliados mecánicamente de cristales únicos a granel. Luego, el MoS₂ de monocapa se apiló sobre el CrPS₄ utilizando un método de transferencia en seco.
«Las heteroestructuras artificiales de van der Waals (vdW) fabricadas al apilar materiales 2D inducen la periodicidad emergente de estructuras cristalinas como la superred de moiré y nos proporcionan nuevas vías para controlar la simetría P en sus heterointerfaces», dijeron los científicos, señalando que la simetría P es la que crea el «desplazamiento» desequilibrado de electrones que genera la fotocorriente espontánea bajo el BPVE.
Los científicos utilizaron un campo magnético externo para medir las características corriente-voltaje del dispositivo bajo iluminación, variando tanto la temperatura como la dirección del spin. Observaron una fotocorriente espontánea finita que cambiaba con el campo magnético externo por debajo de la temperatura de Néel, el punto en el que la magnetización de un material antiferromagnético cambia de comportamiento.
Los resultados mostraron que la corriente de inyección magnética del dispositivo puede ser controlada por un campo magnético externo, lo que los investigadores calificaron como un avance en la investigación del BPVE.
«Nuestro estudio ha demostrado que la simetría espacial y de inversión temporal puede ser controlada de manera flexible por estructuras artificiales, permitiendo una variedad de respuestas ópticas y generación de corriente que no se habían visto antes», dijo el investigador Kazunari Matsuda. «Esto puede conducir a nuevas aplicaciones no solo en células solares sino también en tecnologías como sensores ópticos, espintrónica y dispositivos de captura de energía».
Los científicos describieron el nuevo dispositivo en «Nonlinear photovoltaic effects in monolayer semiconductor and layered magnetic material hetero-interface with P– and T-symmetry broken system» (Efectos fotovoltaicos no lineales en semiconductor de monocapa y material magnético en capas en heterointerfaz con sistema de simetría P y T rota), que fue publicado recientemente en Nature Communications.
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