Cấu trúc dị thể nhân tạo cho thấy hiệu ứng quang điện có thể điều chỉnh cho các tế bào quang điện thế hệ tiếp theo
của Đại học Kyoto
Quan sát hiệu ứng quang điện khối từ trong thiết bị cấu trúc dị thể. Nguồn: KyotoU / Phòng thí nghiệm Matsuda
Khi chúng ta chứng kiến những tác động có hại của biến đổi khí hậu, nhu cầu chuyển đổi nhanh chóng sang năng lượng tái tạo ngày càng trở nên cấp thiết hơn. Một trong những dạng năng lượng tái tạo hiệu quả nhất, năng lượng mặt trời, được tạo ra bởi các tế bào quang điện, là khối xây dựng của tấm pin mặt trời. Các thiết bị điện tử này sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện, một quá trình được gọi là hiệu ứng quang điện.
Các tế bào quang điện thông thường có những hạn chế cơ bản về điện áp đầu ra và hiệu suất chuyển đổi. Một hiện tượng được gọi là hiệu ứng quang điện khối, đã thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, có thể cho phép chuyển đổi năng lượng mặt trời hiệu quả cao mà không có những hạn chế như vậy. Tuy nhiên, vật lý cơ bản của hiệu ứng quang điện khối vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Hiệu ứng này bắt nguồn từ hiện tượng lượng tử và liên quan đến hành vi quang kích thích không đối xứng của các electron, gây ra dòng điện tích ổn định được gọi là dòng điện dịch chuyển, thường được tạo ra trong hệ thống có tính đối xứng đảo ngược không gian.
Một dòng điện khác xuất hiện khi có sự phá vỡ tính đối xứng đảo ngược thời gian hoặc tính đối xứng của các định luật vật lý khi dòng thời gian bị đảo ngược. Vì tính đối xứng đảo ngược thời gian bị phá vỡ trong các vật liệu từ tính, nên các hiệu ứng mới liên quan đến hiệu ứng quang điện khối được kỳ vọng sẽ phát sinh trong các hệ thống từ tính, nhưng nhiều khía cạnh của các hệ thống này vẫn chưa được giải thích cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm.
Điều này đã thúc đẩy một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Kyoto quan sát các hiện tượng mới này, đòi hỏi họ phải vượt qua những khó khăn về mặt kỹ thuật trong việc kiểm soát tính đối xứng đảo ngược thời gian và không gian. Bài báo của họ được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thiết bị dị cấu trúc nhân tạo mới với chất bán dẫn hai chiều một lớp và vật liệu phân lớp từ tính nhằm mô phỏng tính đối xứng đảo ngược thời gian và không gian bị phá vỡ tại giao diện dị của nó.
Với thiết bị của mình, nhóm đã đo các đặc tính dòng điện-điện áp dưới ánh sáng chiếu bằng cách thay đổi nhiệt độ và hướng quay, mà họ áp dụng một từ trường bên ngoài. Kết quả cho thấy thiết bị của nhóm cho thấy hiệu ứng quang điện khối mới của dòng điện phun từ, đây là một nền tảng vật liệu cực kỳ hứa hẹn cho các thiết bị quang điện thế hệ tiếp theo.
"Nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng tính đối xứng không gian và đảo ngược thời gian có thể được kiểm soát linh hoạt bởi các cấu trúc nhân tạo, cho phép nhiều phản ứng quang học và tạo ra dòng điện chưa từng thấy trước đây", tác giả liên hệ Kazunari Matsuda cho biết.
Đặc biệt, nhóm đã chứng minh rằng dòng điện phun từ có thể được kiểm soát bởi một từ trường bên ngoài, điều này dự kiến sẽ dẫn đến các ứng dụng mới không chỉ trong pin mặt trời mà còn trong các công nghệ như cảm biến quang học, spintronics và các thiết bị thu năng lượng.
Hơn nữa, nghiên cứu này chỉ ra rằng dòng điện dịch chuyển và dòng điện phun từ có thể cùng tồn tại, giúp phát triển các hệ thống quang điện hiệu quả và đa chức năng hơn bao giờ hết.
"Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy hệ thống từ tính có tiềm năng lớn để phát triển các tế bào quang điện thế hệ tiếp theo", Matsuda cho biết.
Thông tin thêm: Shuichi Asada và cộng sự, Hiệu ứng quang điện phi tuyến tính trong chất bán dẫn đơn lớp và vật liệu từ tính nhiều lớp giao diện dị hợp với hệ thống phá vỡ đối xứng P và T, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58918-9
Thông tin tạp chí: Nature Communications
