A szilicén, mint 2D félvezető anyag, számos kutatás és fejlesztés középpontjában áll, különösen a termoelektromos (TE) alkalmazások terén. Az elmúlt években végzett kísérletek és szimulációk számos ígéretes eredményt hoztak, melyek arra utalnak, hogy a szilicén jelentős előnyöket kínálhat a következő generációs termoelektromos anyagok fejlesztésében. Az anyag kiváló elektromos vezetőképességgel rendelkezik, amely a megfelelő dózissal javítható, és amely hasonló lehet a grafénhez. Azonban van egy lényeges különbség: a szilicén alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, ami különösen ígéretes lehet termoelektromos alkalmazásokban, ahol alacsony hővezetésre van szükség.

A szilicén anyagnak az egyik legfontosabb tulajdonsága a szinte nulla sávrés, ami lehetővé teszi az elektromos vezetőképesség dinamikus szabályozását, a dopálás révén. A kutatások azt mutatják, hogy a szilicén nanószalagok és különböző struktúrák, mint például az „armchair” típusú nanószalagok, hatékonyabbak, mint a „zigzag” típusúak, különösen a termoelektromos teljesítményük tekintetében. A ZT (termoelektromos teljesítmény) értékek széles hőmérsékleti tartományban optimalizálhatók, és a legújabb szimulációk szerint a ZT értékek akár 4.9-re is növelhetők, ha a dopálás mértéke és a hőmérséklet optimálisak.

Ez arra utal, hogy a szilicén nanószalagok nemcsak hogy ígéretesek lehetnek a következő generációs termoelektromos eszközökben, hanem a különböző szerkezeti formák és a hőmérséklet manipulálásával jelentősen javítható a termoelektromos teljesítményük. A szilicén különleges elektronikus és fonon-transport mechanizmusai egyedülálló lehetőségeket biztosítanak a termoelektromos eszközök fejlesztésében, de a kutatások folytatása elengedhetetlen a megértésük teljes körű kiaknázásához.

Bár a szilicén és annak különböző nanostruktúrái ígéretes jövőt vetítenek előre, a 2D anyagok alkalmazása a termoelektromos anyagokban számos korlátba ütközik. Az egyik legnagyobb kihívás, hogy a 2D anyagok elektronikus és fonon-transport mechanizmusai még mindig nem teljesen érthetők. Az, hogy hogyan befolyásolják az interfejszes elektronikus és fonon-transport mechanizmusok a termoelektromos teljesítményt, továbbra is kutatásra szorul. Emellett, bár a 2D anyagok többnyire jó elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hővezetésük gyakran túl magas, ami korlátozza a termoelektromos hatékonyságot. A grafén és a TMDC anyagok például rendkívül magas hővezető képességgel rendelkeznek, ami nem ideális a termoelektromos alkalmazásokhoz, de ugyanakkor hasznos lehet őket forrópont hűtési célokra alkalmazni.

A szilicén és hasonló 2D anyagok kutatása tehát nemcsak a termoelektromos anyagok fejlesztésére irányuló erőfeszítések elősegítése, hanem az új, hatékonyabb hőmérsékleti és doping technológiák megértésére is. Az új anyagok fejlesztése, amelyek képesek jobb hő- és elektromos teljesítmény elérésére, kulcsfontosságú lesz a következő generációs, nagy teljesítményű termoelektromos eszközök piacán. A tudósok folyamatosan dolgoznak azon, hogy megtalálják azokat a megoldásokat, amelyek biztosítják a termoelektromos anyagok széles körű alkalmazását, miközben csökkentik az előállítás költségeit.

A jövőben a szilicén és más 2D anyagok, mint például a foszforén, figyelembe vételével, a termoelektromos eszközök teljesítménye és gazdaságossága is jelentősen javulhat. Az új szilicén variánsok, mint például a penta-szilicén, amelyek különleges elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, szintén hozzájárulhatnak a kutatás fejlődéséhez. Az ilyen típusú anyagok lehetővé tehetik az alacsony költségű, mégis magas teljesítményű termoelektromos eszközök létrehozását.

Mi a MOS és miért fontos a vékony filmek alkalmazásában?

A félvezető eszközök, különösen a fém-oxid félvezető (MOS) alapú eszközök alkalmazása az elmúlt húsz évben rendkívüli fejlődésen ment keresztül, különösen a gyorsan mozgó fogyasztói cikkek és a kijelző technológia terén. A MOS eszközök alkalmazási területei azonban nem korlátozódnak csupán a hagyományos felhasználásokra, hanem számos új és fejlődő technológiai megoldásban is szerepet kapnak. A jelen fejezet célja, hogy átfogó képet adjon a MOS technológia fejlődéséről, a legújabb alkalmazásokról, valamint azokról az alapvető előnyökről, amelyek a MOS vékonyfilm alapú eszközök tervezését és alkalmazását előnyössé teszik.

A MOS eszközök előnyei közé tartozik a rendkívül magas hordozó mobilitás, valamint az, hogy képesek ellenállni a magas feszültségnek, mindemellett viszonylag alacsony költséggel és nagy mennyiségben is előállíthatók. A fém-oxid alapú vékonyfilm tranzisztorok, különösen az elektronikai eszközökben történő alkalmazásuk, lehetővé tették a különböző technológiai fejlődéseket, például az érzékelők, a fotokatalízis és a napenergia alkalmazások területén.

A vékonyfilm MOS eszközök előállítása többféle módszerrel történhet, de a legelterjedtebbek közé tartoznak a gőzfázisú és folyadékvázisú szintézis eljárások. Az eljárások megválasztása fontos, mivel az egyes technikák különböző anyag- és szerkezeti tulajdonságokat eredményezhetnek, amelyek alapvetően befolyásolják az eszközök teljesítményét.

A MOS eszközök alkalmazása során kiemelkedő fontosságú a megfelelő anyagok kiválasztása, amelyek nemcsak az eszközök működését, hanem azok hosszú távú megbízhatóságát is garantálják. Az anyagok közötti kölcsönhatások, a hordozók mobilitása és a struktúra kialakítása mind-mind meghatározó tényezők, amelyek közvetlenül hatnak a vékonyfilm eszközök teljesítményére.

A MOS eszközök alkalmazási területei között szerepelnek az alábbiak:

  1. Vékonyfilm tranzisztorok (TFT) – Ezeket elsősorban a lapos kijelzők (FPD-k) alkalmazása során használják. A TFT technológia fejlődése új lehetőségeket kínál a kijelzők képminőségének és energiahatékonyságának javítására.

  2. Energia-eszközök – A vékonyfilm MOS eszközök képesek magas feszültségek kezelésére, ami rendkívül hasznossá teszi őket a nagy teljesítményű alkalmazások, például az energiatermelés és -tárolás területén.

  3. Szenzorok – A vékonyfilm eszközök érzékeny elektromos tulajdonságaik révén rendkívül jól alkalmazhatók különféle környezeti változások érzékelésére. Ezek az eszközök gyakran alkalmazhatók ipari és környezetvédelmi monitoring rendszerekben, ahol fontos, hogy nagy mennyiségben és költséghatékonyan készüljenek.

  4. Fotokatalízis és napenergia – A MOS anyagok különösen ígéretesek a fotonok energiájának hasznosítása terén, például napenergia alkalmazásokban, mivel képesek a fény energiáját villamos energiává alakítani.

  5. Neuromorfikus mesterséges intelligencia rendszerek – A MOS vékonyfilm eszközök egyre inkább elengedhetetlenné válnak a mesterséges intelligencia fejlesztésében, különösen azokban a rendszerekben, amelyek az emberi agy működését utánozzák, és intelligens társadalmakban játszanak kulcsszerepet.

A MOS eszközök alapvető jellemzője, hogy magas hordozó mobilitással rendelkeznek, ami lehetővé teszi számukra, hogy gyorsan reagáljanak az elektromos jelekre. Ezen kívül az anyagok szilárd, ionos kötései különböznek a hagyományos kovalens félvezetők, mint a szilícium (Si) kötéseitől, ami új lehetőségeket nyit az elektronikus alkalmazások számára. Az ilyen anyagok elektromos tulajdonságai, mint a vezetőképesség és a szigetelő képesség, erőteljesen befolyásolják az eszközök teljesítményét.

A MOS alapú technológiai fejlesztések további előnye, hogy az ilyen típusú eszközök rendkívül jól alkalmazhatók különböző területeken, legyen szó kommunikációs technológiákról, érzékelő rendszerekről, vagy a fenntarthatóságot elősegítő innovációkról, mint például a megújuló energiaforrások hatékony hasznosítása.

Endtext

Hogyan befolyásolják a 2D nanomateriálok a napelemek teljesítményét?

A napenergia közvetlen átalakítása villamos energiává az egyik legígéretesebb megoldás a fenntartható energiaellátás problémájának kezelésére. Az organikus és perovszkit alapú vékony film napelemek (SC-k) az utóbbi években jelentős előrelépéseket értek el, a hatásfokuk meghaladja a 18%-ot az organikus napelemeknél, és a 25%-ot a perovszkit alapúaknál. Ezen felül ezek a napelemek alacsony költséggel, nagyszabású roll-to-roll (R2R) feldolgozási kompatibilitással, mechanikai rugalmassággal, könnyűséggel és félig átlátszósággal rendelkeznek, amelyek kiemelik őket a kutatók figyelmének középpontjában. Az organikus és perovszkit alapú napelemek tehát komoly lehetőségeket kínálnak a napelem-technológiák fejlesztésében.

Ebben a kontextusban a 2D nanomateriálok ideális kontakt rétegekként alkalmazhatók a vékony film napelemekben. A 2D nanomateriálok egyedi tulajdonságai, például a hangolható elektronikus struktúra, a magas optikai átlátszóság és a magas töltéshordozó mobilitás révén különösen vonzóak a napelemek fejlesztésében. Különböző 2D nanomateriálokat alkalmaznak fotóelektrodákként, elektron- és lyukszállító rétegként (ETL, HTL), valamint adalékanyagokként az aktív rétegekben, hogy javítsák a napelemek hatásfokát. A legismertebb 2D nanomateriálok közé tartozik a grafén és a grafén-szerű elemek, mint az antimonén, a fekete foszfor, a bizmuthén és a borofén, valamint a fém-oxidok, átmeneti fém-dikalcogenidák (például MoS2, WSe2), MXenek, fémmentes félvezetők (például g-C3N4 és kovalens organikus keretek), illetve a polimerek.

A napelemekben alkalmazott 2D nanomateriálok közül a MoS2 az egyik leggyakrabban használt anyag. Például Jiang et al. egy olyan organikus perovszkit napelemet készítettek, amelyben a Spiro-OMeTAD rétegben módosították a MoS2 virágszerű 2H félvezető fázisát, amelyet lyukszállító rétegként (HTL) alkalmaztak. A fotoluminiscencia (PL) csúcsintenzitásának jelentős csökkenése azt jelzi, hogy a MoS2-dopált Spiro-OMeTAD réteg fokozott lyukszerkezetet biztosít, ami javítja a lyukkivonást és ezáltal növeli a napelem hatásfokát. A napelemet követően, amely MoS2-t tartalmazott, a stabilitás jelentős javulását figyelték meg, és a fotokonverziós hatásfok (PCE) mintegy 85%-át megőrizte a 300 órás levegőnek való kitettség után, míg a referencia eszköz csak 30%-ot őrzött meg.

Hasonlóan, Liang et al. a MoS2 és MoSe2 fém-chalkogenidek viselkedését vizsgálták buffer rétegként, amely a HTL és a perovszkit réteg között helyezkedett el. Az így elkészített napelem magasabb PCE-t ért el, és jelentősen hosszabb élettartamú stabilitást mutatott a referencia perovszkit napelemekhez képest. A MoS2 és MoSe2 az extra HTL réteg mellett védelmi szerepet is ellátnak, és hatékonyan csökkenthetik az elektron-lyuk rekombinációt, ami további javulást eredményez a napelem teljesítményében.

A heterojunkciók (például típus I, típus II, Z-séma, Schottky-junkciók, p-n junkciók) kialakítása növelheti a töltés szétválasztását és jelentősen csökkentheti az elektron-lyuk rekombinációt. Például a TiO2 kiváló ETL anyagként ismert, és a heterojunkciók alkalmazása nagyobb elektrontranszport-hatékonyaságot és magasabb PCE-t eredményezhet.

Xie et al. a g-C3N4 in-situ szintézisét alkalmazták a TiO2 alapú perovszkit napelemekben, és azt találták, hogy a g-C3N4-et tartalmazó ETL révén az elkészült napelem jelentős teljesítménynövekedést mutatott, 20,46%-os PCE-vel, míg a referencia napelem csak 17,18%-ot ért el. A g-C3N4 gyors elektronvándorlást segít, és csökkenti a töltésrekombinációt, amely közvetlenül javítja a napelem teljesítményét.

A 2D nanomateriálok tehát kiemelkedő szerepet játszanak a jövő napelemes technológiáinak fejlesztésében, hiszen lehetőséget adnak a hatékonyság növelésére és a stabilitás javítására, miközben a gyártási költségek is csökkenthetők.

A fentiekben említett anyagok és technológiák részletes megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy a napelemek ne csak a teljesítményük, hanem az élettartamuk és a megbízhatóságuk szempontjából is egyre versenyképesebbé váljanak a megújuló energiaforrások piacán. Mindezek mellett a különböző nanomateriálok használata lehetőséget ad a napelemek további finomhangolására, hogy azok különböző környezeti és gazdasági feltételek mellett is hatékonyan működjenek. A jövő napelemei tehát nemcsak a hatékonyság szempontjából, hanem a fenntarthatóságot és az alkalmazás sokoldalúságát figyelembe véve is kiemelkedőek lesznek.

Miért fontos a szabályok mögötti okok megértése, és mikor érdemes eltérni tőlük?
Hogyan építsünk márkát, hogy növeljük a vállalkozás értékét?
Hogyan befolyásolják az ionizációs és rekombinációs reakciók a plazma hőátadási jellemzőit?