Photovoltaische Eigenschaften von GaSe/MoSe2-Heterojunction-Bauelementen

Einführung

Es wurde festgestellt, dass zweidimensionale (2D) Materialien verschiedene einzigartige Eigenschaften aufweisen, die keine Erweiterung der konventionellen Materialwissenschaft sind [1,2,3,4,5]. Sie ziehen insbesondere als optoelektronische Materialien aufgrund ihrer bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften wie ihrer starken optischen Absorption im Sonnenspektrumbereich [6], hoher interner Strahlungswirkungsgrade [7] und durchstimmbarer Bandlücken für Einzel- und Mehrfach- Sperrschichtsolarzellen [8]. Einige Solarzellen werden aus 2D-Materialien hergestellt, indem Heteroübergänge in der Ebene und außerhalb der Ebene gebildet werden. Ersteres zeichnet sich dadurch aus, dass durch kontinuierliches Wachsen verschiedener Arten von 2D-Materialien eine sehr saubere Heterojunction-Grenzfläche gebildet werden kann [9, 10]. Da andererseits im letzteren Fall die Heteroübergangsfläche vergrößert werden kann und Tandemsolarzellen durch Stapeln mehrerer Übergänge hergestellt werden können, sind die Solarzelleneigenschaften des GaSe/MoSe₂ vertikale Heterojunction-Bauelemente wurden in dieser Studie bewertet.

Galliumselenid wurde seit langem als optisches Material für Photodetektoren und nichtlineare Optiken erwartet, seine praktische Anwendung wurde jedoch aufgrund der Schwierigkeit der Synthese von Einkristallen nur in begrenzten Situationen gefördert [11,12,13]. Aufgrund der jüngsten Fortschritte in der zweidimensionalen Materialwissenschaft hat dieses geschichtete optische Material jedoch wieder Aufmerksamkeit auf sich gezogen [14,15,16,17,18,19,20,21]. MoSe₂ ein typisches Übergangsmetall-Dichalkogenid ist, ist das Mo-Ion in diesen Verbindungen von sechs Se ²⁻ . umgeben Ionen. Die Koordinationsgeometrie des Mo findet sich als oktaedrisch und trigonal-prismatisch. Monoschicht-MoSe₂ weist halbleitende Eigenschaften mit einer direkten Bandlücke von etwa 1,6 eV auf und weist eine relativ hohe Ladungsträgermobilität in der Größenordnung von Hunderten auf [22]. Daher ist MoSe₂ erregt nicht nur als Optoelektronik Aufmerksamkeit, sondern auch als Aktivbereichsmaterial für Transistoren [23, 24].

Diese 2D-Material-Heterojunctions haben aufgrund der bereits beschriebenen Eigenschaften ein hohes Potenzial als Solarzellenmaterialien, dass dank der hohen externen Strahlungseffizienz sehr hohe theoretische Konversionseffizienzen für Single- und Tandem-Junctions nachgewiesen wurden [8], aber die bisher berichteten Konversionseffizienzen aufgrund zu unzureichender Material- und Schnittstellenqualität und Gerätedesign [25,26,27]. Darüber hinaus gibt es noch viele Unklarheiten über die Gerätephysik in der Out-of-Plane-Heterostruktur von 2D-Materialien, insbesondere den in Solarzellen wichtigen Ladungsträgertrennungsprozess.

In diesem Papier werden die Strom-Spannungs-Kennlinien von GaSe/MoSe₂ Heterojunction-Vorrichtungen, die durch ein mechanisches Abschälverfahren hergestellt wurden, wurden in einem dunklen Zustand und unter Lichtbestrahlung unter Verwendung eines Sonnensimulators gemessen. Die Bestrahlungslichtintensität wurde von 0,5 auf 1,5 Sonne geändert. Es zeigte sich, dass bei einer Erhöhung der Beleuchtungsstärke in diesem Beleuchtungsstärkebereich sowohl der Kurzschlussstrom als auch die Leerlaufspannung zunahmen. Die Leerlaufspannung und die Energieumwandlungseffizienz betrugen 0,41 V bzw. 0,46 % bei einer Sonnenbestrahlung von 1,5 %.

Methoden

Wir stellten vierpolige Bauelemente mit 50 nm dicken Titan(Ti)-Elektroden her, die durch Elektronenstrahlverdampfung auf p-Siliziumsubstraten abgeschieden wurden, die mit 300 nm thermisch oxidiertem Siliziumdioxid (SiO₂ .) bedeckt waren ). Wir haben Flocken von natürlichem GaSe und MoSe übertragen₂ (HQ-Graphen) auf die Ti-Elektroden sequentiell unter Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS, Dow Toray) durch mechanisches Peeling, wie im vorherigen Bericht beschrieben [23]. Schließlich das Ti/GaSe/MoSe₂ Die Heteroübergangsvorrichtung wurde bei 400 °C unter einer Stickstoffgasatmosphäre zwei Stunden lang getempert. Die Transmissions- und Reflexionsspektren in einigen zehn Mikrometer-Quadratflächen wurden unter Verwendung von auf Glassubstrate übertragenen Flocken mit einem Mikro-UV-Vis-Spektrometer mit einer Breitband-Cassegrain-Objektivlinse (JASCO MSV-5300) erhalten. Die Dicke der einzelnen Probenflocken wurde aus dem Linienprofil von Rasterkraftmikroskopie (AFM)-Bildern (HITACHI Nano Navi Real) bestimmt. Die Mikro-PL- und Raman-Messungen wurden mit einem Dauerstrich-Anregungslaser durchgeführt, der bei 532 nm emittiert, gekoppelt mit einem 100-fach-Mikroskopobjektiv bei 25 °C. Die Anregungslichtintensitäten für Raman- und PL-Messungen betrugen 1,5 bzw. 0,3 mW. Die Solarzellenleistung wurde bei einer Probentemperatur von 25 °C unter Verwendung eines Sonnensimulators mit einer variablen Intensität zwischen 0,5 Sonne und 1,5 Sonne gemessen. Die spektrale Reaktion wurde durch Kombination einer monochromatischen Lichtquelle und eines Pico-Amperemeters bewertet. Aus dem optischen Mikroskopbild wurde die Heteroübergangsregion als aktive Fläche von Solarzellen bestimmt.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die Transmission (T ) und Reflexionsvermögen (R ) Spektren von GaSe-Flake auf Glassubstraten. Die durchgezogenen roten und blauen Linien zeigen die gemessenen Transmissions- bzw. Reflexionsspektren im Bereich von 200–1600 nm. Das Absorptionsspektrum (A ), dargestellt durch eine durchgezogene schwarze Linie, wurde durch die folgende Beziehung berechnet:

a Transmissions-, Reflexions-, Absorptionsspektren und b Absorptionskoeffizient von GaSe-Flake. Einschub:Lichtmikroskopische Aufnahme von GaSe-Flake

Der Absorptionskoeffizient wurde durch die folgende Gleichung berechnet, wie in Fig. 1b gezeigt.

wo d ist die Dicke der Probe, die durch AFM-Messung auf 638 ± 29 nm geschätzt wurde. Der Absorptionskoeffizient von GaSe stieg allmählich von etwa 2 eV entsprechend der Bandlücke an. Da das Valenzbandmaximum am Γ-Punkt existiert und die Unterseite des Leitungsbandes am Γ-Punkt nur einige zehn meV über dem Leitungsbandminimum am M-Punkt liegt, wird GaSe als quasi-direkte Bandlücke betrachtet [12]. Es ist auch bekannt, dass direkte Exzitonen am Γ-Energiepunkt sehr nahe an den direkten und indirekten Zwischenbandübergängen liegen [12, 19]. Der Einschub von Fig. 1b zeigt das optische Mikroskop (OM)-Bild von GaSe-Flake zur Messung. Der zentrierte Kreis im OM-Bild zeigt den Messbereich an. Andererseits zeigt Abb. 2 die optischen Eigenschaften von MoSe₂ Flocken mit einer Dicke von 99 ± 3 nm übertragen auf Glassubstrate. Der Absorptionskoeffizient von MoSe₂ mehr als eine Größenordnung höher als die von GaSe. Der starke Anstieg ab 1,5 eV und zwei Exzitonen-orientierte Peaks waren mit früheren Berichten kompatibel [28, 29].

a Transmissions-, Reflexions-, Absorptionsspektren und b Absorptionskoeffizient von MoSe₂ Flocke. Einschub:Lichtmikroskopische Aufnahme von MoSe₂ Flocke

Als nächstes wurden die Kristallinität und weitere optische Eigenschaften dieser zweidimensionalen Materialien von Raman und PL untersucht. Raman- und PL-Spektren wurden mit fabriziertem GaSe/MoSe₂ . gemessen Heterojunction-Geräte. Die Raman-Höhe liegen bei 133, 214 und 309 cm ⁻¹ wurden beobachtet, wie in Fig. 3a gezeigt. Die Raman-Spitzen bei 133 und 309 cm ⁻¹ geben die planaren Schwingungsmoden von A ¹ . an _1g (133 cm ⁻¹ ) und A ² _1g (309 cm ⁻¹ ), bzw. Der andere Peak bei 214 cm ⁻¹ kommt von der Schwingung von Seleniden im Out-of-Plane-Modus, dem sogenannten E ¹ _2g [15, 17]. Diese klaren kristallinen Schwingungen weisen auf eine hohe Kristallinität der übertragenen GaSe-Flocken hin. Abbildung 3b zeigt das PL-Spektrum, das von GaSe-Flocken auf einem Si-Substrat bei 25 °C erhalten wurde. Die PL-Spitzen um 626 und 655 nm entsprechen den direkten bzw. den indirekten Bandlücken. Die indirekte Bandlücke setzt nur 25 meV niedriger als die direkte Bandlücke in GaSe [18, 19]. Die Raman-Spektren von MoSe₂ übertragen auf Si-Substrate zeigte zwei offensichtliche Peaks bei etwa 236 und 243 cm ⁻¹ , die A_1g . entsprechen Modus wie in Abb. 4a gezeigt. Die Raman- und Lumineszenzspektren (Abb. 4b) zeigen eine hohe Qualität des übertragenen MoSe₂ Flocken auf Si-Substraten.

a Raman und b PL-Spektren von GaSe-Flake

a Raman und b PL-Spektren von MoSe₂ Flocke

Abbildung 5a zeigt das optische Mikroskopbild des hergestellten GaSe/MoSe₂ Heteroübergangsvorrichtung, die mit Ti-Elektroden kontaktiert ist. Die GaSe-Flake wird mit der linken und der unteren Elektrode kontaktiert und das MoSe₂ Flocke wird mit der rechten bzw. oberen Elektrode kontaktiert. Die als aktive Fläche von Solarzellen definierte Heteroübergangsregion wurde auf 490 μm ² . geschätzt von diesem Bild. Die Solarzellenleistung wurde unter Verwendung von unteren und oberen Elektroden unter simuliertem Sonnenlicht gemessen. Die Dicke dieser GaSe und MoSe₂ Flocken wurden durch AFM-Messung auf 118 bzw. 79 nm geschätzt. Beide Filmdicken entsprechen 120–130 Schichten. Schematisches Bild und Banddiagramm von GaSe/MoSe₂ Heteroübergangsvorrichtung wurden in Fig. 5b bzw. c dargestellt.

a Optisches Mikroskopbild, b schematisches Bild und c Banddiagramm des hergestellten GaSe/MoSe₂ Heterojunction-Gerät

Die Strom-Spannungs-Eigenschaften des hergestellten GaSe/MoSe₂ Heterojunction-Vorrichtung unter 0,5–1,5 Sonnenlichtbedingungen sind in Abb. 6a dargestellt. Es ist klar, dass diese Heteroübergangsvorrichtung eine Gleichrichtung und einen photovoltaischen Effekt aufweist, und es ist auch zu sehen, dass die I –V Kurve ändert sich in Abhängigkeit von der Lichteinstrahlungsintensität aus Fig. 6a. Abbildung 6b zeigt eine Zusammenfassung der Lichteinstrahlungsintensitätsabhängigkeit des Kurzschlussstroms (I _sc ) und die Leerlaufspannung (V _oc ). Ich _sc steigt in diesem Bereich linear mit der Lichteinstrahlungsintensität an. Andererseits ist zu sehen, dass V _oc steigt logarithmisch bezüglich der Lichteinstrahlungsintensität an. Da der folgende relationale Ausdruck für eine ideale Diode gilt, wurde der ideale Faktor durch Anpassung auf 1,11 geschätzt.

wo n ist der Idealitätsfaktor, k _B ist die Boltzmann-Konstante, T ist die Temperatur des Geräts, q ist die Grundeinheit der Ladung, so dass \(\frac{{k_{{\text{B}}} T}}{q} \approx\) 0,0258 V bei Raumtemperatur. Das Ich _L und ich _dunkel sind Photo- bzw. Dunkelstrom. Ein idealer Faktor nahe 1 zeigt an, dass dieses GaSe/MoSe₂ Die Struktur bildet einen idealen Heteroübergang, in dem ein internes elektrisches Feld vorhanden ist, das ausreicht, um Exzitonen zu dissoziieren. Die Kurzschlussstromdichte (J _sc ) wurde mit 3,11 mA/cm ² . berechnet vom aktiven Bereich, der durch das optische Bild definiert ist. Der Füllfaktor (FF ) und Umwandlungseffizienz (η ) wurden auf 0,44 bzw. 0,54 % unter 1 Sonnenbedingung geschätzt. Seit dem FF verringert sich aufgrund des Einflusses des Serienwiderstandes bei Bestrahlung für 1 Sonne oder mehr, die η war fast gleich wie bei Bestrahlung für 1 Sonne, obwohl die J _sc und das V _oc .erhöht. Um FF zu verbessern , ist es notwendig, die Gerätekonfiguration zu verbessern, z. B. den Abstand zur Elektrode zu verkürzen.

a Ich –V Eigenschaften und b Abhängigkeit der Lichteinstrahlungsintensität von GaSe/MoSe₂ Leistung von Heterojunction-Solarzellen

Als nächstes haben wir die externe Quanteneffizienz von GaSe/MoSe₂ . geschätzt Heterojunction unter Verwendung eines optischen Simulators (e-ARC) [29]. Die Berechnungen wurden mit einer vollständig flachen Struktur durchgeführt, in der GaSe und MoSe₂ mit der gleichen Filmdicke wie die hergestellte Vorrichtung wurden auf ein flaches Si-Substrat laminiert. Die optischen Konstanten von GaSe und MoSe₂ wurden auf die berichteten Werte verwiesen [30, 31]. Die durch Rekombination induzierten Ladungsträgerverluste an der Materialgrenzfläche und den Bulk-Regionen werden vollständig berücksichtigt. Die simulierten Absorptionsspektren sind in Abb. 7 dargestellt. Der grün gefärbte Bereich zeigt den Absorptionsbereich von GaSe/MoSe₂ Heteroübergang, das ist die Summe der Absorption von GaSe, angezeigt durch die blaue gestrichelte Linie, und der Absorption von MoSe₂ angezeigt durch die rote gestrichelte Linie. Der gelbe Bereich wird durch das Si-Substrat durchgelassen und absorbiert, und die anderen Bereiche zeigen Reflexionskomponenten. Das maximale J _sc über den Wellenlängenbereich von 300–950 nm wurde auf 19,29 mA/cm ² . geschätzt ob die erzeugten Fototräger vollständig von der hergestellten Vorrichtung gesammelt werden könnten. Unsere Simulationsergebnisse sagten voraus, dass die J _sc würde zunehmen, und 23 mA/cm ² konnte erhalten werden, wenn die GaSe-Filmdicke etwa 60 nm betrug. Die große Dissoziation zwischen dem berechneten Stromwert und dem experimentellen Wert kann auf ein unzureichendes eingebautes Potenzial in der hergestellten Vorrichtung zurückzuführen sein. Wenn diese Hypothese zutrifft, könnten eine Optimierung der Filmdicke der absorbierenden Schicht und eine Optimierung der Austrittsarbeit des Kontaktmaterials die J . deutlich verbessern _sc . Da dieses Simulationsergebnis außerdem zeigt, dass die Reflexionskomponente ebenfalls groß ist, kann gesagt werden, dass der Lichteinschlusseffekt auf der Einfallsoberflächenseite und der Rückseite des GaSe/MoSe₂ Heterojunction-Solarzelle ist auch in Zukunft ein wichtiges Thema. Die Oberflächenplasmonentechnologie gilt als sehr effektiv für die Lichteindämmung in zweidimensionalen materialbasierten Solarzellen [32].

Die simulierten Absorptionsspektren von GaSe/MoSe₂ Heteroübergang

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir das GaSe/MoSe₂ hergestellt Heterojunction-Bauelemente durch ein mechanisches Peeling-Verfahren und analysierte die photovoltaische Leistung. Der aus Transmissions- und Reflexionsspektren von MoSe₂ . erhaltene Absorptionskoeffizient mehr als eine Größenordnung höher als die von GaSe. Die Raman- und Lumineszenzspektren von GaSe und MoSe₂ zeigten, dass eine hohe Kristallinität nach der Herstellung der Vorrichtung beibehalten wurde. Sowohl der Kurzschlussstrom als auch die Leerlaufspannung erhöht sich, wenn die Lichtstärke von 0,5 auf 1,5 Sonne erhöht wird. Die Leerlaufspannung und der Energieumwandlungswirkungsgrad betrugen 0,41 V bzw. 0,46 % unter Bedingungen von 1,5 Sonne. Das maximale J _sc über den Wellenlängenbereich von 300–950 nm wurde auf 19,29 mA/cm ² . geschätzt ob die erzeugten Phototräger vollständig von der hergestellten Vorrichtung aus einer optischen Simulationsstudie gesammelt werden könnten. Die Optimierung der Filmdicke der absorbierenden Schicht und die Optimierung der Austrittsarbeit des Kontaktmaterials könnten die J . deutlich verbessern _sc . Darüber hinaus wird der Lichteinschlusseffekt auf der Einfallsoberflächenseite und der Rückoberflächenseite des GaSe/MoSe₂ Heterojunction-Solarzelle ist auch in Zukunft ein wichtiges Thema.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

2D-Materialien:

Zweidimensionale Materialien

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

OM:

Optisches Mikroskop

I _sc :

Kurzschlussstrom

V _oc :

Leerlaufspannung

J _sc :

Kurzschlussstromdichte

FF :

Füllfaktor