GaSe/MoSe2 异质结器件的光伏特性

介绍

已经发现二维 (2D) 材料具有各种独特的特性，这些特性不是传统材料科学的延伸 [1,2,3,4,5]。特别是，由于其显着的物理特性，例如它们在太阳光谱区域的强光吸收 [6]、高内部辐射效率 [7] 以及单和多波段的可调带隙，它们作为光电材料备受关注。结太阳能电池[8]。一些太阳能电池是通过形成面内和面外异质结由二维材料制成的。前者的特点是通过连续生长不同类型的二维材料可以形成非常干净的异质结界面[9, 10]。另一方面，在后一种情况下，由于可以增加异质结面积，并且可以通过堆叠多个结来制造串联太阳能电池，因此本研究评估了GaSe / MoSe2垂直异质结器件的太阳能电池特性。

硒化镓一直被期待作为光电探测器和非线性光学的光学材料，但由于难以合成单晶[11,12,13]，其实际应用仅在有限的情况下得到推广。然而，由于二维材料科学的最新进展，这种层状光学材料再次受到关注[14,15,16,17,18,19,20,21]。 MoSe2 是一种典型的过渡金属二硫属化物，这些化合物中的 Mo 离子被六个 Se ²⁻ 包围 离子。 Mo 的配位几何形状为八面体和三角棱柱体。单层 MoSe2 表现出半导体特性，直接带隙约为 1.6 eV，并且具有数百个数量级的相对较高的载流子迁移率 [22]。因此，MoSe2 不仅作为光电子学而且作为晶体管的有源区材料也备受关注[23, 24]。

这些 2D 材料异质结具有作为太阳能电池材料的巨大潜力，因为已经描述过，由于高外部辐射效率，已经证明了单结和串联结的非常高的理论转换效率 [8]，但迄今为止报道的转换效率是由于材料和界面质量以及设备设计不足 [25,26,27]。此外，二维材料的面外异质结构中的器件物理，尤其是太阳能电池中重要的载流子分离过程，仍有许多不清楚的地方。

在本文中，通过机械剥离方法制造的 GaSe/MoSe2 异质结器件的电流-电压特性在黑暗条件下和使用太阳模拟器的光照射下进行了测量。照射光强度从 0.5 到 1.5 太阳光。发现在该照度范围内增加照度时，短路电流和开路电压均增加。 1.5日照条件下开路电压和能量转换效率分别为0.41 V和0.46%。

方法

我们使用通过电子束蒸发沉积在覆盖有 300 nm 热氧化二氧化硅 (SiO2) 的 p 型硅基板上的 50 nm 厚钛 (Ti) 电极制造了四端器件。我们使用聚二甲基硅氧烷（PDMS，Dow Toray）通过机械剥离将天然 GaSe 和 MoSe2（HQ 石墨烯）薄片转移到 Ti 电极上，如之前的报告 [23] 所述。最后，将 Ti/GaSe/MoSe2 异质结器件在 400°C 下在氮气气氛下退火两个小时。通过带有宽带卡塞格林物镜（JASCO MSV-5300）的微型紫外-可见分光光度计，使用转移到玻璃基板上的薄片获得了几十平方微米区域的透射率和反射率光谱。每个样品薄片的厚度由原子力显微镜 (AFM) 图像 (HITACHI Nano Navi Real) 的线轮廓确定。微 PL 和拉曼测量是使用在 532 nm 发射的连续波激发激光与 25°C 下的 100 倍显微镜物镜耦合进行的。拉曼和 PL 测量的激发光强度分别为 1.5 和 0.3 mW。太阳能电池性能是在 25 °C 的样品温度下使用太阳模拟器测量的，该模拟器的强度在 0.5 太阳和 1.5 太阳之间。通过组合单色光源和皮安表来评估光谱响应。从光学显微图像中，异质结区域被确定为太阳能电池的活性面积。

结果与讨论

图 1a 显示了透射率 (T ) 和反射率 (R ) 玻璃基板上 GaSe 薄片的光谱。红色和蓝色实线分别显示了在 200-1600 nm 范围内测量的透射率和反射率光谱。吸收光谱 (A ) 用黑色实线表示，计算公式如下；

一 透射、反射、吸收光谱和b GaSe 薄片的吸收系数。插图：GaSe 薄片的光学显微镜图像

吸收系数由下式计算，如图1b所示。

其中 d 是样品的厚度，通过 AFM 测量估计为 638 ± 29 nm。 GaSe 的吸收系数从对应于带隙的 2 eV 左右逐渐增加。由于价带最大值存在于 Γ 点，并且 Γ 点的导带底部仅比 M 点导带最小值高几十 meV，因此 GaSe 被认为是准直接带隙 [12]。还已知直接激子位于非常接近直接和间接带间跃迁的 Γ 能量点 [12, 19]。图 1b 的插图显示了用于测量的 GaSe 薄片的光学显微镜 (OM) 图像。 OM 图像中的中心圆圈表示测量区域。另一方面，图 2 显示了转移到玻璃基板上的厚度为 99 ± 3 nm 的 MoSe2 薄片的光学特性。 MoSe2 的吸收系数比 GaSe 高一个数量级以上。 1.5 eV 的急剧增加和两个激子取向的峰与之前的报道一致 [28, 29]。

一 透射、反射、吸收光谱和b MoSe2 薄片的吸收系数。插图：MoSe2 薄片的光学显微镜图像

接下来，通过拉曼和 PL 研究了这些二维材料的结晶度和进一步的光学性能。使用制造的 GaSe/MoSe2 异质结器件测量拉曼和 PL 光谱。拉曼峰值在 133、214 和 309 cm ^-1 观察到如图 3a 所示。拉曼峰值在 133 和 309 cm ^-1 表示A ¹ 的平面振动模式 1g (133 cm ⁻¹ ) 和 A ² 1 克（309 厘米 ⁻¹ ）， 分别。 214 cm ⁻¹ 处的另一个峰 来自硒化物在面外模式中的振动，即所谓的 E ¹ 2g [15, 17]。这些清晰的晶体振动表明转移的 GaSe 薄片具有高结晶度。图 3b 显示了在 25°C 下从 Si 衬底上的 GaSe 薄片获得的 PL 光谱。 PL 峰值在 626 和 655 nm 附近，分别对应于直接和间接带隙。间接带隙仅比 GaSe 中的直接带隙低 25 meV [18, 19]。转移到 Si 衬底上的 MoSe2 的拉曼光谱表明在 236 和 243 cm ^-1 附近有两个明显的峰 ，对应于图4a所示的A1g模式。拉曼光谱和发光光谱（图4b）表明Si衬底上转移的MoSe2薄片质量高。

一 拉曼和b GaSe薄片的PL光谱

一 拉曼和b MoSe2薄片的PL光谱

图 5a 显示了与 Ti 电极接触的制造的 GaSe/MoSe2 异质结器件的光学显微图像。 GaSe 薄片与左侧和底部电极接触，MoSe2 薄片分别与右侧和顶部电极接触。定义为太阳能电池有效面积的异质结区域估计为 490 μm ² 从这张图片。在模拟阳光下使用底部和顶部电极测量太阳能电池性能。通过 AFM 测量估计这些 GaSe 和 MoSe2 薄片的厚度分别为 118 和 79 nm。这两种薄膜厚度都对应于 120-130 层。 GaSe/MoSe2异质结器件的示意图和能带图分别如图5b、c所示。

一 光学显微图像，b 示意图和c 制备的GaSe/MoSe2异质结器件能带图

制造的 GaSe/MoSe2 异质结器件在 0.5-1.5 日光条件下的电流-电压特性如图 6a 所示。很明显，这种异质结器件表现出整流和光伏效应，也可以看出 I –V 曲线根据图 6a 中的光照射强度而变化。图 6b 显示了短路电流 (I sc) 和开路电压 (V o)。 我 sc 在此范围内随光照射强度线性增加。另一方面，可以看出 V oc 相对于光照射强度呈对数增加。由于以下关系式适用于理想二极管，因此通过拟合估计理想因子为1.11。

其中 n 是理想因子，k B 是玻尔兹曼常数，T 是设备的温度，q 是电荷的基本单位，因此 \(\frac{{k_{{\text{B}}} T}}{q} \approx\) 在室温下为 0.0258 V。 我 L 和 I 暗分别是光电流和暗电流。接近 1 的理想因子表明这种 GaSe/MoSe2 结构形成了理想的异质结，其中存在足以解离激子的内部电场。短路电流密度（J sc) 计算为 3.11 mA/cm ² 从光学图像定义的活动区域。填充因子 (FF ) 和转换效率 (η ) 在 1 个阳光条件下分别估计为 0.44% 和 0.54%。由于 FF 当照射 1 个太阳或更多时，由于串联电阻的影响而降低，η 几乎与照射 1 个太阳时相同，尽管 J sc 和 V oc. 增加。为了提高FF ，有必要改进器件配置，例如缩短与电极的距离。

一 我 –V 特征和b GaSe/MoSe2异质结太阳能电池性能的光辐照强度依赖性

接下来，我们通过使用光学模拟器 (e-ARC) [29] 估计了 GaSe/MoSe2 异质结的外部量子效率。计算是在完全平坦的结构中进行的，其中与制造的器件具有相同膜厚的 GaSe 和 MoSe2 层压在平坦的 Si 衬底上。 GaSe 和 MoSe2 的光学常数参考报告值 [30, 31]。由材料界面和体区复合引起的载流子损失完全结合。模拟的吸收光谱如图 7 所示。绿色区域表示 GaSe/MoSe2 异质结的吸收区域，它是由蓝色虚线表示的 GaSe 吸收和由红色虚线。黄色区域被Si衬底透射和吸收，其他区域显示反射分量。最大J sc 在 300–950 nm 波长范围内估计为 19.29 mA/cm ² 如果可以从制造的设备中完全收集产生的光载流子。我们的模拟结果预测 J sc 会增加，23 mA/cm ² 当 GaSe 膜厚约为 60 nm 时可以获得。计算出的电流值与实验值之间的较大分离可能是由于制造的器件中的内置电位不足。如果这个假设是正确的，优化吸收层的膜厚和优化接触材料的功函数可以显着提高J 南卡罗来纳州此外，由于该模拟结果表明反射分量也很大，因此可以说GaSe/MoSe2异质结太阳能电池的入射面侧和背面侧的光限制效应也是未来的重要问题.表面等离子体技术被认为对二维材料基太阳能电池的光限制非常有效[32]。

GaSe/MoSe2异质结的模拟吸收光谱

结论

总之，我们通过机械剥离方法制造了 GaSe/MoSe2 异质结器件并分析了光伏性能。从 MoSe2 的透射和反射光谱获得的吸收系数表现出比 GaSe 高一个数量级以上。 GaSe 和 MoSe2 的拉曼光谱和发光光谱表明器件制造后仍保持高结晶度。当光照强度从 0.5 太阳升至 1.5 太阳光时，短路电流和开路电压均增加。在 1.5 日照条件下，开路电压和能量转换效率分别为 0.41 V 和 0.46%。最大J sc 在 300–950 nm 波长范围内估计为 19.29 mA/cm ² 如果产生的光载流子可以从光学模拟研究的制造设备中完全收集。优化吸收层的膜厚和优化接触材料的功函数可以显着提高J 南卡罗来纳州此外，GaSe/MoSe2异质结太阳能电池入射面侧和背面侧的光限制效应也是未来的重要课题。

数据和材料的可用性

本文包含支持本文结论的数据集。

缩写

二维材料：

二维材料

原子力显微镜：

原子力显微镜

OM：

光学显微镜

I sc:

短路电流

V :

开路电压

J sc:

短路电流密度

FF ：

填充因子