Преодоление симметричных ограничений в фотоэлементах с помощью инженерии поверхности

Исследователи из Университета Страны Басков (EHU), Центра физики материалов, nanoGUNE и DIPC представили новый подход к преобразованию солнечной энергии и спинтронике. Работа решает давнюю проблему объёмного фотоэлектрического эффекта — необходимость в нецентросимметричных кристаллах — демонстрируя, что даже идеально симметричные материалы могут генерировать значительные фототоки благодаря созданным поверхностным электронным состояниям. Это открывает новые пути для проектирования эффективных систем преобразования света в электричество и сверхбыстрых спинтронных устройств.

Автор: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.14360

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Обычные солнечные элементы полагаются на тщательно спроектированные интерфейсы, такие как p-n-переходы, для превращения света в электричество. Более экзотичный механизм — объёмный фотоэлектрический эффект — может генерировать электрический ток непосредственно в материале без таких переходов, но только если его кристаллическая структура лишена центра симметрии. Это строгое требование долгое время ограничивало поиск практичных материалов.

В новой работе группа исследователей показывает, что это ограничение можно преодолеть: даже идеально симметричные материалы могут производить заметные фототоки благодаря особым электронным состояниям, которые естественным образом формируются на их поверхности.

Используя расчёты из первых принципов, учёные показали, что поверхности металлов и полупроводников с сильным релятивистским спин-орбитальным взаимодействием могут содержать электронные состояния, ведущие себя совершенно иначе, чем в объёме материала. Эти поверхностные состояния локально нарушают инверсионную симметрию и реагируют на свет нелинейно, порождая устойчивые зарядовые токи и, что особенно важно, чистые спиновые токи, текущие вдоль поверхности.

Протестировав механизм на хорошо известной поверхности Au(111), исследователи определили Tl/Si(111) в качестве идеальной материальной платформы, предсказав фототоки, сравнимые с лучшими сегнетоэлектриками, а также чёткие экспериментальные признаки для их обнаружения.

Результаты раскрывают новую стратегию преобразования света в электричество: вместо поиска сложных нецентросимметричных кристаллов учёные могут создавать фототоки, модифицируя поверхностную электронную структуру в остальном симметричных материалов. Помимо сбора энергии, возможность генерировать и контролировать спиновые токи с помощью света — без магнитов или приложенного напряжения — открывает перспективные возможности для создания сверхбыстрых спинтронных устройств с низким энергопотреблением.

Источник: Elhuyar Fundazioa