GaSe/MoSe₂垂直异质结的光伏性能：来自二维半导体的洞见

摘要

二维（2D）材料以原子级薄层为电子学和光电子学带来变革潜力。过渡金属单/二硫族化物——硒化镓（GaSe）和二硒化钼（MoSe₂）——即使作为单层也具有本征带隙和高载流子迁移率，适合柔性光伏器件。本文通过机械剥离转移天然薄片到Si/SiO₂上图案化的Ti电极，制备垂直GaSe/MoSe₂异质结。器件含~118 nm p型GaSe和~79 nm n型MoSe₂，在黑暗及0.5–1.5 sun模拟阳光下测试。短路电流（I_sc）和开路电压（V_oc）随光强增加，1.5 sun下达0.41 V和0.46%效率。结果确认二维异质结用于下一代光伏技术的可行性。

引言

二维材料展现区别于块体的独特光电性质。其对太阳光谱强吸收、高内辐射效率、可调带隙使其成为单结和叠层太阳能电池首选。平面异质结通过连续生长提供原子级锐利界面，而垂直异质结允许更大有源面积和可堆叠架构——本研究利用GaSe/MoSe₂垂直器件探索此路径。GaSe长期因晶体生长难题限制应用，近年二维材料合成进展重燃兴趣，揭示准直接带隙~2 eV和高光吸收。MoSe₂作为典型过渡金属二硫族化物，单层直接带隙~1.6 eV，载流子迁移率达百cm²V⁻¹s⁻¹量级，兼具光电活性层和晶体管通道潜力。尽管理论预测二维异质结高转换效率，实验报道因材料和界面质量限制滞后。垂直二维堆叠载流子分离动力学理解尚浅。本研究通过测量GaSe/MoSe₂异质结不同光强下电流-电压（I-V）特性，填补空白，提供器件物理洞见。

实验方法

四端Ti（50 nm）电极经电子束蒸发沉积于300 nm热氧化SiO₂/p型Si晶片。天然GaSe和MoSe₂薄片机械剥离至PDMS，按既定协议顺序转移至Ti电极。完成的Ti/GaSe/MoSe₂堆叠在N₂中400°C退火2 h改善层间耦合。光学表征用微区UV-Vis光谱（JASCO MSV-5300）获200–1600 nm透射率(T)和反射率(R)。吸收率A=1−T−R，吸收系数α=[ln(1−R)−ln T]/d，d为AFM（HITACHI Nano Navi）测厚度。拉曼和微区光致发光（PL）用532 nm激光（拉曼1.5 mW, PL 0.3 mW），100×物镜，25°C记录。光伏性能在25°C下太阳模拟器（0.5–1.5 sun）测量。有源面积由光学显微镜确定约490 μm²。光谱响应结合单色光源与皮安计获取。

结果与讨论

图1显示GaSe薄片（~638 nm厚）透射、反射、推导吸收率。吸收系数在带隙附近（~2 eV）急剧上升，确证准直接带隙性质。图2显示~99 nm MoSe₂薄片吸收系数比GaSe高逾一个数量级，1.5 eV处显著激子峰。器件拉曼谱显示133, 214, 309 cm⁻¹峰，分别对应A_1g、E_1g、A_2g模式，证实高结晶度。GaSe PL峰626 nm和655 nm分别代表直接和间接带隙；MoSe₂拉曼~236和243 cm⁻¹ A_1g峰确认材料质量。图5展示器件布局：GaSe接左/底Ti电极，MoSe₂接右/顶电极，有源面积~490 μm²。AFM确认薄片厚度118 nm（GaSe）和79 nm（MoSe₂），对应~120–130层。光照下I-V曲线（图6a）显示明整流和光伏响应。I_sc随光强线性缩放，V_oc遵循理想二极管关系V_oc=(nk_BT/q)ln(I_L/I_dark+1)，理想因子n≈1.11，表明高效异质结具强内建电场。1 sun下J_sc=3.11 mA cm⁻²，填充因子0.44，效率0.54%。串联电阻限制高辐照下填充因子，整体性能仍具可比性。光学模拟（e-ARC）预测若所有光生载流子收集，300–950 nm最大J_sc达19.29 mA cm⁻²。模拟与实验电流差距提示内建电位非最优，指示优化吸收层厚度、接触功函数、光捕获策略（如等离子增强）可大幅提升效率。

结论

成功通过机械剥离制备表征垂直GaSe/MoSe₂异质结。MoSe₂吸收系数显著高于GaSe，两材料器件组装后保持高结晶度。光照从0.5增至1.5 sun提升I_sc和V_oc，1.5 sun达0.41 V V_oc和0.46%效率。光学建模指示进一步优化吸收层厚度和界面工程可大幅增强J_sc和整体效率。器件双面光捕获技术亦为未来性能增益提供契机。