Fotovoltaïsche kenmerken van GaSe/MoSe2 heterojunctie-apparaten

Abstract

De tweedimensionale materialen hebben de dikte van een atomair laagniveau en worden vanwege hun specifieke eigenschappen verwacht als alternatieve materialen voor toekomstige elektronica en opto-elektronica. Vooral recentelijk hebben overgangsmetaalmonochalcogeniden en dichalcogeniden de aandacht getrokken. Aangezien deze materialen een bandafstand hebben in tegenstelling tot grafeen en zelfs in een enkele laag een halfgeleidereigenschap vertonen, wordt toepassing op een nieuwe flexibele opto-elektronica verwacht. In deze studie worden de fotovoltaïsche eigenschappen van een GaSe/MoSe₂ heterojunctieapparaat dat gebruikmaakt van tweedimensionale halfgeleiders, p-type GaSe en n-type MoSe₂ , werd onderzocht. Het heterojunctie-apparaat werd geprepareerd door GaSe en MoSe₂ . over te brengen op het substraat waarop de titaniumelektroden werden vervaardigd door middel van een mechanische afpelmethode. De stroom-spanningskarakteristieken van de GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaten werden gemeten in een donkere toestand en onder lichte bestraling met behulp van een zonnesimulator. De lichtintensiteit van de bestraling werd gewijzigd van 0,5 naar 1,5 zon. Het bleek dat wanneer de verlichtingssterkte in dit verlichtingssterktebereik werd verhoogd, zowel de kortsluitstroom als de nullastspanning toenam. De nullastspanning en de energieconversie-efficiëntie waren respectievelijk 0,41 V en 0,46% onder 1,5 zonconditie.

Inleiding

Er is gevonden dat tweedimensionale (2D) materialen verschillende unieke eigenschappen hebben die geen uitbreiding zijn van de conventionele materiaalwetenschap [1,2,3,4,5]. Ze trekken met name de aandacht als opto-elektronische materialen vanwege de opmerkelijke fysieke eigenschappen zoals hun sterke optische absorptie in het zonnespectrumgebied [6], hoge interne stralingsefficiëntie [7] en afstembare bandgaps voor zowel enkel- als meervoudig junctie zonnecellen [8]. Sommige zonnecellen zijn gemaakt van 2D-materialen door in-plane en out-of-plane heterojuncties te vormen. De eerste wordt gekenmerkt doordat een zeer schone heterojunctie-interface kan worden gevormd door continu verschillende soorten 2D-materialen te laten groeien [9, 10]. Aan de andere kant, in het laatste geval, aangezien het heterojunctie-oppervlak kan worden vergroot en tandemzonnecellen kunnen worden gefabriceerd door meerdere juncties op elkaar te stapelen, de eigenschappen van de zonnecel van de GaSe/MoSe₂ verticale heterojunctie-apparaten werden in dit onderzoek geëvalueerd.

Galliumselenide werd al lang verwacht als een optisch materiaal voor fotodetectoren en niet-lineaire optica, maar de praktische toepassing ervan is slechts in beperkte situaties gepromoot vanwege de moeilijkheid om monokristallen te synthetiseren [11,12,13]. Door recente ontwikkelingen in de tweedimensionale materiaalkunde trekt dit gelaagde optische materiaal echter weer de aandacht [14,15,16,17,18,19,20,21]. MoSe₂ is een typisch overgangsmetaal dichalcogenide, het Mo-ion in deze verbindingen is omgeven door zes Se²⁻ ionen. De coördinatiegeometrie van de Mo wordt gevonden als octaëdrisch en trigonaal prismatisch. Monolaag MoSe₂ vertoont halfgeleidende eigenschappen met een directe bandgap van ongeveer 1,6 eV en heeft een relatief hoge draaggolfmobiliteit in de orde van honderden [22]. Daarom MoSe₂ trekt niet alleen de aandacht als opto-elektronica, maar ook als actief regiomateriaal voor transistors [23, 24].

Deze heterojuncties van 2D-materiaal hebben een hoog potentieel als zonnecelmaterialen vanwege de eigenschappen die al zijn beschreven, dat zeer hoge theoretische conversie-efficiënties voor enkelvoudige en tandem-juncties zijn aangetoond dankzij een hoge externe stralingsefficiëntie [8], maar conversie-efficiënties die tot nu toe zijn gerapporteerd vanwege tot ontoereikende materiaal- en interfacekwaliteit en apparaatontwerp [25,26,27]. Verder zijn er nog veel onduidelijkheden over de apparaatfysica in de out-of-plane heterostructuur van 2D-materialen, met name het dragerscheidingsproces, dat belangrijk is in zonnecellen.

In dit artikel worden de stroom-spanningskarakteristieken van de GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaten vervaardigd door middel van een mechanische afpelmethode werden gemeten in een donkere toestand en onder lichte bestraling met behulp van een zonnesimulator. De lichtintensiteit van de bestraling werd gewijzigd van 0,5 naar 1,5 zon. Het bleek dat wanneer de verlichtingssterkte in dit verlichtingssterktebereik werd verhoogd, zowel de kortsluitstroom als de nullastspanning toenam. De nullastspanning en de energieconversie-efficiëntie waren respectievelijk 0,41 V en 0,46% onder 1,5 zon.

Methoden

We hebben apparaten met vier aansluitingen gefabriceerd met behulp van titanium (Ti) -elektroden met een dikte van 50 nm, afgezet door elektronenstraalverdamping op p-type siliciumsubstraten bedekt met 300 nm thermisch geoxideerd siliciumdioxide (SiO₂ ). We hebben vlokken van aardgas en MoSe₂ . overgebracht (HQ grafeen) op de Ti-elektroden achtereenvolgens met behulp van polydimethylsiloxaan (PDMS, Dow Toray) door mechanische exfoliatie zoals beschreven in het vorige rapport [23]. Eindelijk, de Ti/GaSe/MoSe₂ heterojunctie-inrichting werd gedurende twee uur bij 400 ° C onder een stikstofgasatmosfeer uitgegloeid. De transmissie- en reflectiespectra in een paar tien micrometer vierkante gebieden werden verkregen met behulp van overgebrachte vlokken op glassubstraten door een micro-UV-Vis-spectrometer met een breedbandcassegrain-objectieflens (JASCO MSV-5300). De dikte van elke monstervlokken werd bepaald aan de hand van het lijnprofiel van atomic force microscopie (AFM) afbeeldingen (HITACHI Nano Navi Real). De micro-PL- en Raman-metingen werden uitgevoerd met een continue golfexcitatielaser die emitteerde bij 532 nm gekoppeld aan een 100 × microscoopobjectief bij 25 ° C. De excitatielichtintensiteiten voor Raman- en PL-metingen waren respectievelijk 1,5 en 0,3 mW. De zonnecelprestaties werden gemeten bij een monstertemperatuur van 25 °C met behulp van een zonnesimulator met een variabele intensiteit tussen 0,5 zon en 1,5 zon. De spectrale respons werd geëvalueerd door een monochromatische lichtbron en een pico-ampèremeter te combineren. Op basis van het optische microscopische beeld werd het heterojunctiegebied bepaald als het actieve gebied van zonnecellen.

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de transmissie (T ) en reflectie (R ) spectra van GaSe-vlokken op glassubstraten. De ononderbroken rode en blauwe lijnen tonen de gemeten transmissie- en reflectiespectra in het bereik van respectievelijk 200-1600 nm. Het absorptiespectrum (A ) weergegeven door een ononderbroken zwarte lijn werd berekend door de volgende relatie;

$$A =1 - T - R$$ (1)

een Doorlaatbaarheid, reflectie, absorptiespectra en b absorptiecoëfficiënt van GaSe-vlokken. Inzet:optische microscoopopname van GaSe-vlok

De absorptiecoëfficiënt werd berekend door de vergelijking te volgen zoals weergegeven in Fig. 1b.

$$\alpha =\frac{{\ln \left( {1 - R} \right) - \ln T}}{d}$$ (2)

waar d is de dikte van het monster, dat werd geschat op 638 ± 29 nm door AFM-meting. De absorptiecoëfficiënt van GaSe nam geleidelijk toe van ongeveer 2 eV, wat overeenkomt met de bandgap. Aangezien het maximum van de valentieband bestaat op het Γ-punt en de onderkant van de geleidingsband op het Γ-punt slechts enkele tientallen meV boven het minimum van de geleidingsband op het M-punt ligt, wordt GaSe beschouwd als een quasi-directe bandgap [12]. Van directe excitonen is ook bekend dat ze zich op het Γ-punt van energie bevinden, zeer dicht bij de directe en indirecte interbandovergangen [12, 19]. Inzet van Fig. 1b toont het optische microscoop (OM) beeld van GaSe-vlok voor meting. De gecentreerde cirkel in het OM-beeld geeft het meetgebied aan. Aan de andere kant toont Fig. 2 de optische eigenschappen van MoSe₂ vlok met een dikte van 99 ± 3 nm overgebracht op glassubstraten. De absorptiecoëfficiënt van MoSe₂ vertoonden meer dan een orde van grootte hoger dan die van GaSe. De scherpe stijging van 1,5 eV en twee op excitonen georiënteerde pieken waren compatibel met eerdere rapporten [28, 29].

een Doorlaatbaarheid, reflectie, absorptiespectra en b absorptiecoëfficiënt van MoSe₂ vlok. Inzet:optische microscoopopname van MoSe₂ vlok

Vervolgens werden de kristalliniteit en verdere optische eigenschappen van deze tweedimensionale materialen onderzocht door Raman en PL. Raman- en PL-spectra werden gemeten met behulp van gefabriceerde GaSe/MoSe₂ heterojunctie apparaten. De Raman piekt op 133, 214 en 309 cm⁻¹ werden waargenomen zoals getoond in Fig. 3a. De Raman piekt op 133 en 309 cm⁻¹ geven de vlakke trillingsmodi van A¹ . aan _1g (133 cm⁻¹ ) en A² _1g (309 cm⁻¹ ), respectievelijk. De andere piek op 214 cm⁻¹ komt van de vibratie van seleniden in de out-of-plane-modus, de zogenaamde E¹ _2g [15, 17]. Deze heldere kristallijne trillingen duiden op een hoge kristalliniteit van overgedragen GaSe-vlokken. Figuur 3b toont het PL-spectrum verkregen uit GaSe-vlokken op Si-substraat bij 25°C. De PL-pieken liggen rond 626 en 655 nm, wat overeenkomt met respectievelijk de directe en de indirecte bandgaps. De indirecte bandgap is slechts 25 meV lager dan de directe bandgap in GaSe [18, 19]. De Raman-spectra van MoSe₂ overgebracht op Si-substraten gaven twee duidelijke pieken aan rond 236 en 243 cm⁻¹ , die overeenkomen met A_1g modus zoals getoond in Fig. 4a. De Raman- en luminescentiespectra (Fig. 4b) duiden op een hoge kwaliteit van overgedragen MoSe₂ vlokken op Si-substraten.

een Raman en b PL-spectra van GaSe-vlok

een Raman en b PL-spectra van MoSe₂ vlok

Figuur 5a toont het optische microscopische beeld van de gefabriceerde GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaat in contact met Ti-elektroden. De GaSe-vlok wordt in contact gebracht met de linker- en onderste elektroden en de MoSe₂ vlok wordt in contact gebracht met respectievelijk de rechter- en bovenste elektroden. Het heterojunctiegebied gedefinieerd als het actieve gebied van zonnecellen werd geschat op 490 μm² van dit beeld. De prestaties van de zonnecel werden gemeten met behulp van onder- en bovenelektroden onder gesimuleerd zonlicht. De dikte van deze GaSe en MoSe₂ vlokken werden geschat op respectievelijk 118 en 79 nm door AFM-meting. Beide filmdiktes komen overeen met 120-130 lagen. Schematische afbeelding en banddiagram van GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaat werden respectievelijk geïllustreerd in Fig. 5b, c.

een Optisch microscopisch beeld, b schematische afbeelding, en c banddiagram van de gefabriceerde GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaat

De stroom-spanningskarakteristieken van de gefabriceerde GaSe/MoSe₂ heterojunctie-apparaat onder 0,5-1,5 zonlicht wordt getoond in Fig. 6a. Het is duidelijk dat dit heterojunctie-apparaat rectificatie en fotovoltaïsch effect vertoont, en het is ook te zien dat de I –V curve verandert afhankelijk van de lichtinstralingsintensiteit van Fig. 6a. Figuur 6b toont een samenvatting van de afhankelijkheid van de lichtinstralingsintensiteit van de kortsluitstroom (I _sc ) en de nullastspanning (V _oc ). Ik _sc neemt lineair toe met de lichtinstralingsintensiteit in dit bereik. Aan de andere kant is te zien dat V _oc neemt logaritmisch toe met betrekking tot de lichtinstralingsintensiteit. Aangezien de volgende relationele uitdrukking geldt voor een ideale diode, werd de ideale factor geschat op 1,11 door te passen.

$$V_{{{\text{oc}}}} =\frac{{nk_{{\text{B}}} T}}{q}\ln \left( {\frac{{I_{{\text {L}}} }}{{I_{{{\text{dark}}}} }} + 1} \right)$$ (3)

waar n is de idealiteitsfactor, k _B is de Boltzmann-constante, T is de temperatuur van het apparaat, q is de fundamentele eenheid van lading, zodat $\frac{{k_{{\text{B}}} T}}{q} \circa$ 0,0258 V bij kamertemperatuur. De ik _L en ik _donker zijn respectievelijk foto- en donkerstroom. Een ideale factor dicht bij 1 geeft aan dat deze GaSe/MoSe₂ structuur vormt een ideale heterojunctie waarin een intern elektrisch veld aanwezig is dat voldoende is om excitonen te dissociëren. De kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) werd berekend op 3,11 mA/cm² van actief gebied gedefinieerd door optisch beeld. De vulfactor (FF ) en conversie-efficiëntie (η ) werden geschat op respectievelijk 0,44 en 0,54% onder 1 zonneconditie. Sinds de FF afgenomen door de invloed van de serieweerstand bij bestraling voor 1 zon of meer, de η was bijna hetzelfde als bij het bestralen voor 1 zon, hoewel de J _sc en de V _oc .toegenomen. Om FF . te verbeteren , is het noodzakelijk om de configuratie van het apparaat te verbeteren, zoals het verkorten van de afstand tot de elektrode.

een Ik –V kenmerken en b intensiteit van de lichtinstralingsintensiteit van GaSe/MoSe₂ prestaties van heterojunctie zonnecellen

Vervolgens schatten we de externe kwantumefficiëntie van de GaSe/MoSe₂ heterojunctie met behulp van een optische simulator (e-ARC) [29]. Er is gerekend met een volledig vlakke structuur waarin GaSe en MoSe₂ met dezelfde filmdikte als het gefabriceerde apparaat werden gelamineerd op een vlak Si-substraat. De optische constanten van GaSe en MoSe₂ werden verwezen naar de gerapporteerde waarden [30, 31]. Het dragerverlies dat wordt veroorzaakt door recombinatie op het grensvlak van het materiaal en de bulkgebieden is volledig opgenomen. De gesimuleerde absorptiespectra worden getoond in Fig. 7. Het groengekleurde gebied toont het absorptiegebied van de GaSe/MoSe₂ heterojunctie, wat de som is van de absorptie van GaSe aangegeven door de blauwe stippellijn en de absorptie van MoSe₂ aangegeven door de rode stippellijn. Het gele gebied wordt doorgelaten en geabsorbeerd door het Si-substraat, en de andere gebieden vertonen reflectiecomponenten. De maximale J _sc over het golflengtebereik van 300-950 nm werd geschat op 19,29 mA/cm² als de gegenereerde fotodragers volledig zouden kunnen worden verzameld van een gefabriceerd apparaat. Onze simulatieresultaten voorspelden dat de J _sc zou toenemen, en 23 mA/cm² kon worden verkregen wanneer de GaSe-filmdikte ongeveer 60 nm was. De grote dissociatie tussen de berekende huidige waarde en de experimentele waarde kan te wijten zijn aan onvoldoende ingebouwd potentieel in het gefabriceerde apparaat. Als deze hypothese correct is, zou het optimaliseren van de filmdikte van de absorberende laag en het optimaliseren van de werkfunctie van het contactmateriaal de J aanzienlijk kunnen verbeteren. _sc . Bovendien, aangezien dit simulatieresultaat aantoont dat de reflectiecomponent ook groot is, kan worden gezegd dat het lichtinsluitingseffect op de zijde van het invallende oppervlak en de achterkant van het oppervlak van de GaSe/MoSe₂ heterojunction zonnecel is ook een belangrijk onderwerp in de toekomst. Oppervlakteplasmontechnologie wordt als zeer effectief beschouwd voor lichtopsluiting in tweedimensionale op materiaal gebaseerde zonnecellen [32].

De gesimuleerde absorptiespectra van GaSe/MoSe₂ heterojunctie

Conclusies

Concluderend hebben we de GaSe/MoSe₂ . gefabriceerd heterojunctie-apparaten door middel van een mechanische peelingmethode en analyseerden de fotovoltaïsche prestaties. De absorptiecoëfficiënt verkregen uit transmissie- en reflectiespectra van MoSe₂ vertoonden meer dan een orde van grootte hoger dan die van GaSe. De Raman- en luminescentiespectra van GaSe en MoSe₂ gaf aan dat hoge kristalliniteit gehandhaafd bleef na fabricage van het apparaat. Zowel de kortsluitstroom als de nullastspanning namen toe wanneer de lichtintensiteit werd verhoogd van 0,5 naar 1,5 zon. De nullastspanning en de energieconversie-efficiëntie waren respectievelijk 0,41 V en 0,46% onder 1,5 zonconditie. De maximale J _sc over het golflengtebereik van 300-950 nm werd geschat op 19,29 mA/cm² als de gegenereerde fotodragers volledig zouden kunnen worden verzameld van een gefabriceerd apparaat uit een optische simulatiestudie. Het optimaliseren van de filmdikte van de absorberende laag en het optimaliseren van de werkfunctie van het contactmateriaal zou de J aanzienlijk kunnen verbeteren. _sc . Verder is het lichtbegrenzingseffect aan de zijde van het invallende oppervlak en de zijde van het achteroppervlak van de GaSe/MoSe₂ heterojunctie zonnecel is ook een belangrijk onderwerp in de toekomst.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.

Afkortingen

2D-materialen:: Tweedimensionale materialen
AFM:: Atoomkrachtmicroscopie
OM:: Optische microscoop
Ik _sc :: Kortsluitstroom
V _oc :: Nullastspanning
J _sc :: Kortsluitstroomdichtheid
FF :: Vulfactor

Vormingsmechanisme van goed geordende, dicht opeengepakte superroosters van nanodeeltjes afgezet vanuit de gasfase op sjabloonvrije oppervlakken BSA-gecoate gouden nanostaafjes voor NIR-II fotothermische therapie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal