Características fotovoltaicas de los dispositivos de heterounión GaSe / MoSe2

Resumen

Los materiales bidimensionales tienen el espesor de un nivel de capa atómica y se esperan como materiales alternativos para la electrónica y la optoelectrónica del futuro debido a sus propiedades específicas. Especialmente recientemente, han llamado la atención los monocalcogenuros y dicalcogenuros de metales de transición. Dado que estos materiales tienen una banda prohibida a diferencia del grafeno y exhiben una propiedad semiconductora incluso en una sola capa, se espera la aplicación a una nueva optoelectrónica flexible. En este estudio, las características fotovoltaicas de un GaSe / MoSe ₂ Dispositivo de heterounión que utiliza semiconductores bidimensionales, GaSe de tipo p y MoSe de tipo n ₂ , fue investigado. El dispositivo de heterounión se preparó transfiriendo GaSe y MoSe ₂ sobre el sustrato en el que se fabricaron los electrodos de titanio mediante un método de pelado mecánico. Las características de corriente-voltaje del GaSe / MoSe ₂ Los dispositivos de heterounión se midieron en condiciones de oscuridad y bajo irradiación de luz utilizando un simulador solar. La intensidad de la luz de irradiación se cambió de 0,5 a 1,5 sol. Se encontró que cuando aumentaba la iluminancia en este rango de iluminancia, aumentaban tanto la corriente de cortocircuito como la tensión de circuito abierto. El voltaje de circuito abierto y la eficiencia de conversión de energía fueron 0.41 V y 0.46% en condiciones de sol 1.5, respectivamente.

Introducción

Se ha encontrado que los materiales bidimensionales (2D) tienen varias características únicas que no son una extensión de la ciencia de materiales convencional [1, 2, 3, 4, 5]. En particular, están atrayendo la atención como materiales optoelectrónicos debido a las propiedades físicas notables, como su fuerte absorción óptica en la región del espectro solar [6], las altas eficiencias radiativas internas [7] y las bandas sintonizables tanto para uno como para varios. células solares de unión [8]. Algunas células solares están hechas de materiales 2D formando heterouniones en el plano y fuera del plano. El primero se caracteriza porque se puede formar una interfaz de heterounión muy limpia mediante el crecimiento continuo de diferentes tipos de materiales 2D [9, 10]. Por otro lado, en el último caso, dado que se puede aumentar el área de heterounión y se pueden fabricar células solares en tándem apilando varias uniones, las características de la célula solar del GaSe / MoSe ₂ En este estudio se evaluó el dispositivo de heterounión vertical.

Se ha esperado durante mucho tiempo el seleniuro de galio como material óptico para fotodetectores y ópticas no lineales, pero su aplicación práctica se ha promovido solo en situaciones limitadas debido a la dificultad de sintetizar monocristales [11,12,13]. Sin embargo, debido a los avances recientes en la ciencia de los materiales bidimensionales, este material óptico en capas ha estado atrayendo la atención nuevamente [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. MoSe ₂ es un dicalcogenuro de metal de transición típico, el ion Mo en estos compuestos está rodeado por seis Se ²⁻ iones. La geometría de coordinación del Mo se encuentra como prismática octaédrica y trigonal. Monocapa MoSe ₂ exhibe propiedades semiconductoras con una banda prohibida directa de alrededor de 1.6 eV y tiene una movilidad de portadora relativamente alta del orden de cientos [22]. Por lo tanto, MoSe ₂ está atrayendo la atención no solo como optoelectrónica, sino también como material de región activa para transistores [23, 24].

Estas heterouniones de material 2D tienen un alto potencial como materiales de células solares debido a las propiedades ya descritas de que se han demostrado eficiencias de conversión teóricas muy altas para uniones simples y en tándem gracias a la alta eficiencia radiativa externa [8], pero hasta ahora se han informado eficiencias de conversión debido a la calidad inadecuada del material y la interfaz y al diseño del dispositivo [25,26,27]. Además, todavía hay muchos puntos poco claros sobre la física del dispositivo en la heteroestructura fuera del plano de los materiales 2D, especialmente el proceso de separación de portadores, que es importante en las células solares.

En este artículo, las características de corriente-voltaje de GaSe / MoSe ₂ Los dispositivos de heterounión fabricados mediante un método de pelado mecánico se midieron en condiciones de oscuridad y bajo irradiación de luz utilizando un simulador solar. La intensidad de la luz de irradiación se cambió de 0,5 a 1,5 sol. Se encontró que cuando aumentaba la iluminancia en este rango de iluminancia, aumentaban tanto la corriente de cortocircuito como la tensión de circuito abierto. El voltaje de circuito abierto y la eficiencia de conversión de energía fueron 0.41 V y 0.46% en condiciones de sol 1.5, respectivamente.

Métodos

Fabricamos dispositivos de cuatro terminales utilizando electrodos de titanio (Ti) de 50 nm de espesor depositados por evaporación por haz de electrones sobre sustratos de silicio de tipo p cubiertos con 300 nm de dióxido de silicio oxidado térmicamente (SiO ₂ ). Transferimos copos de GaSe natural y MoSe ₂ (Grafeno HQ) en los electrodos de Ti secuencialmente utilizando polidimetilsiloxano (PDMS, Dow Toray) por exfoliación mecánica como se describe en el informe anterior [23]. Finalmente, el Ti / GaSe / MoSe ₂ El dispositivo de heterounión se recoció a 400 ° C bajo una atmósfera de gas nitrógeno durante dos horas. Los espectros de transmitancia y reflectancia en unas pocas áreas de diez micro metros cuadrados se obtuvieron utilizando escamas transferidas sobre sustratos de vidrio mediante un espectrómetro micro-UV-Vis con una lente de objetivo de cassegrain de banda ancha (JASCO MSV-5300). El grosor de las escamas de cada muestra se determinó a partir del perfil de línea de las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) (HITACHI Nano Navi Real). Las mediciones de micro-PL y Raman se realizaron con un láser de excitación de onda continua que emite a 532 nm acoplado a un objetivo de microscopio de 100 × a 25 ° C. Las intensidades de la luz de excitación para las medidas Raman y PL fueron de 1,5 y 0,3 mW, respectivamente. El rendimiento de la célula solar se midió a una temperatura de muestra de 25 ° C utilizando un simulador solar con una intensidad variable entre 0,5 sol y 1,5 sol. La respuesta espectral se evaluó combinando una fuente de luz monocromática y un picoamperímetro. A partir de la imagen microscópica óptica, se determinó la región de heterounión como el área activa de las células solares.

Resultados y discusión

La figura 1a muestra la transmitancia ( T ) y reflectancia ( R ) espectros de escamas de GaSe sobre sustratos de vidrio. Las líneas sólidas rojas y azules muestran los espectros de transmitancia y reflectancia medidos en el rango de 200-1600 nm, respectivamente. El espectro de absorbancia ( A ) representado por una línea negra sólida se calculó mediante la siguiente relación:

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

un Espectros de transmitancia, reflectancia, absorbancia y b coeficiente de absorción de las escamas de GaSe. Recuadro:imagen de microscopio óptico de las escamas de GaSe

El coeficiente de absorción se calculó siguiendo la ecuación que se muestra en la Fig. 1b.

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

donde d es el espesor de la muestra, que se estimó en 638 ± 29 nm mediante la medición de AFM. El coeficiente de absorción de GaSe aumentó gradualmente desde alrededor de 2 eV correspondientes a la banda prohibida. Dado que el máximo de la banda de valencia existe en el punto, y la parte inferior de la banda de conducción en el punto Γ está solo unas pocas decenas de meV por encima del mínimo de la banda de conducción en el punto M, GaSe se considera una banda prohibida casi directa [12]. También se sabe que los excitones directos se encuentran en el punto Γ de energía muy cerca de las transiciones entre bandas directas e indirectas [12, 19]. El recuadro de la Fig. 1b muestra la imagen de microscopio óptico (OM) de la escama de GaSe para la medición. El círculo centrado en la imagen OM indica el área de medición. Por otro lado, la Fig.2 muestra las propiedades ópticas de MoSe ₂ escamas con un espesor de 99 ± 3 nm transferidas sobre sustratos de vidrio. El coeficiente de absorción de MoSe ₂ exhibió más de un orden de magnitud más alto que el de GaSe. El fuerte aumento de 1,5 eV y dos picos orientados a excitones fueron compatibles con informes anteriores [28, 29].

un Espectros de transmitancia, reflectancia, absorbancia y b coeficiente de absorción de MoSe ₂ escama. Recuadro:imagen de microscopio óptico de MoSe ₂ escamas

A continuación, Raman y PL investigaron la cristalinidad y otras propiedades ópticas de estos materiales bidimensionales. Los espectros Raman y PL se midieron utilizando GaSe / MoSe ₂ fabricado dispositivos de heterounión. El Raman alcanza un máximo de 133, 214 y 309 cm ⁻¹ se observaron como se muestra en la Fig. 3a. El Raman alcanza un máximo de 133 y 309 cm ⁻¹ indicar los modos de vibración planar de A ¹ _1g (133 cm ⁻¹ ) y A ² _1g (309 cm ⁻¹ ), respectivamente. El otro pico a 214 cm ⁻¹ proviene de la vibración de seleniuros en el modo fuera del plano llamado E ¹ _2g [15, 17]. Estas vibraciones cristalinas claras indican una alta cristalinidad de las escamas de GaSe transferidas. La Figura 3b muestra el espectro PL obtenido a partir de escamas de GaSe sobre sustrato de Si a 25 ° C. Los picos PL alrededor de 626 y 655 nm correspondientes a los bandgaps directo e indirecto, respectivamente. La banda prohibida indirecta establece sólo 25 meV por debajo de la banda prohibida directa en GaSe [18, 19]. Los espectros Raman de MoSe ₂ transferidos en sustratos de Si indicaron dos picos obvios en alrededor de 236 y 243 cm ⁻¹ , que corresponden a A _1g modo como se muestra en la Fig. 4a. Los espectros Raman y de luminiscencia (Fig. 4b) indican una alta calidad de MoSe ₂ transferido escamas sobre sustratos de Si.

un Raman y b Espectros PL de escamas de GaSe

un Raman y b Espectros PL de MoSe ₂ escamas

La Figura 5a muestra la imagen microscópica óptica del GaSe / MoSe ₂ fabricado dispositivo de heterounión en contacto con electrodos de Ti. El copo de GaSe se pone en contacto con los electrodos izquierdo e inferior, y el MoSe ₂ la escama entra en contacto con los electrodos derecho y superior, respectivamente. La región de heterounión definida como el área activa de las células solares se estimó en 490 μm ² de esta imagen. El rendimiento de la célula solar se midió utilizando electrodos superior e inferior bajo luz solar simulada. El grosor de estos GaSe y MoSe ₂ se estimó que las escamas eran de 118 y 79 nm mediante la medición de AFM, respectivamente. Ambos espesores de película corresponden a 120-130 capas. Imagen esquemática y diagrama de bandas de GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterounión se ilustraron en la Fig. 5b, c, respectivamente.

un Imagen microscópica óptica, b imagen esquemática y c diagrama de bandas del GaSe / MoSe ₂ fabricado dispositivo de heterounión

Las características de corriente-voltaje del GaSe / MoSe ₂ fabricado El dispositivo de heterounión en condiciones de luz solar de 0.5-1.5 se muestra en la Fig. 6a. Es claro que este dispositivo de heterounión exhibe rectificación y efecto fotovoltaico, y también se puede ver que el I - V la curva cambia dependiendo de la intensidad de la irradiación de la luz de la Fig. 6a. La figura 6b muestra un resumen de la dependencia de la intensidad de la irradiación de la luz de la corriente de cortocircuito ( I _sc ) y el voltaje de circuito abierto ( V _oc ). yo _sc aumenta linealmente con la intensidad de la irradiación de luz en este rango. Por otro lado, se puede ver que V _oc aumenta logarítmicamente con respecto a la intensidad de la irradiación de la luz. Dado que la siguiente expresión relacional es válida para un diodo ideal, el factor ideal se estimó en 1,11 por ajuste.

$$ V _ {{{\ text {oc}}}} =\ frac {{nk _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ ln \ left ({\ frac {{I _ {{\ text {L}}}}} {{I _ {{{\ text {oscuro}}}}}} + 1} \ derecha) $$ (3)

donde n es el factor de idealidad, k _B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura del dispositivo, q es la unidad fundamental de carga, de modo que \ (\ frac {{k _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ approx \) 0.0258 V a temperatura ambiente. El yo _L y yo _oscuro son foto y corriente oscura, respectivamente. Un factor ideal cercano a 1 indica que este GaSe / MoSe ₂ La estructura forma una heterounión ideal en la que está presente un campo eléctrico interno suficiente para disociar los excitones. La densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ) se calculó en 3,11 mA / cm ² desde el área activa definida por la imagen óptica. El factor de relleno ( FF ) y eficiencia de conversión ( η ) se estimaron en 0.44 y 0.54% bajo una condición de sol, respectivamente. Dado que el FF disminuyó debido a la influencia de la resistencia en serie al irradiar 1 sol o más, el η era casi el mismo que cuando se irradiaba 1 sol, aunque el J _sc y la V _oc .aumentado. Para mejorar FF , es necesario mejorar la configuración del dispositivo como acortar la distancia al electrodo.

un yo - V características y b Dependencia de la intensidad de la irradiación de la luz de GaSe / MoSe ₂ rendimiento de la célula solar de heterounión

A continuación, estimamos la eficiencia cuántica externa de GaSe / MoSe ₂ heterounión mediante el uso de un simulador óptico (e-ARC) [29]. Los cálculos se realizaron con una estructura completamente plana en la que GaSe y MoSe ₂ con el mismo espesor de película que el dispositivo fabricado se laminaron sobre un sustrato de Si plano. Las constantes ópticas de GaSe y MoSe ₂ fueron referidos a los valores reportados [30, 31]. La pérdida de portador inducida por recombinación en la interfaz del material y las regiones de masa se incorporan por completo. Los espectros de absorbancia simulados se muestran en la Fig. 7. La región de color verde muestra la región de absorción de GaSe / MoSe ₂ heterounión, que es la suma de la absorción de GaSe indicada por la línea discontinua azul y la absorción de MoSe ₂ indicado por la línea roja discontinua. La región amarilla es transmitida y absorbida por el sustrato de Si, y las otras regiones muestran componentes de reflexión. El máximo J _sc en el rango de longitud de onda de 300 a 950 nm se estimó en 19,29 mA / cm ² si los fotoportadores generados pudieran recolectarse completamente del dispositivo fabricado. Los resultados de nuestra simulación predijeron que el J _sc aumentaría, y 23 mA / cm ² se pudo obtener cuando el espesor de la película de GaSe era de aproximadamente 60 nm. La gran disociación entre el valor actual calculado y el valor experimental puede deberse a un potencial incorporado insuficiente en el dispositivo fabricado. Si esta hipótesis es correcta, optimizar el espesor de película de la capa absorbente y optimizar la función de trabajo del material de contacto podría mejorar significativamente el J _sc . Además, dado que el resultado de esta simulación muestra que el componente de reflexión también es grande, se puede decir que el efecto de confinamiento de la luz en el lado de la superficie incidente y el lado de la superficie posterior del GaSe / MoSe ₂ La célula solar de heterounión también es un tema importante en el futuro. La tecnología de plasmón de superficie se considera muy eficaz para el confinamiento de la luz en células solares bidimensionales basadas en materiales [32].

Los espectros de absorbancia simulados de GaSe / MoSe ₂ heterounión

Conclusiones

En conclusión, fabricamos GaSe / MoSe ₂ dispositivos de heterounión mediante un método de pelado mecánico y analizó el rendimiento fotovoltaico. El coeficiente de absorción obtenido de los espectros de transmitancia y reflectancia de MoSe ₂ exhibió más de un orden de magnitud más alto que el de GaSe. El Raman y los espectros de luminiscencia de GaSe y MoSe ₂ indicó que se mantuvo una alta cristalinidad después de la fabricación del dispositivo. Tanto la corriente de cortocircuito como la tensión de circuito abierto aumentan cuando la intensidad de la luz aumenta de 0,5 a 1,5 sol. El voltaje de circuito abierto y la eficiencia de conversión de energía fueron 0,41 V y 0,46% en condiciones solares de 1,5, respectivamente. El máximo J _sc en el rango de longitud de onda de 300 a 950 nm se estimó en 19,29 mA / cm ² si los fotoportadores generados pudieran recolectarse completamente del dispositivo fabricado a partir del estudio de simulación óptica. La optimización del espesor de la película de la capa absorbente y la optimización de la función de trabajo del material de contacto podría mejorar significativamente el J _sc . Además, el efecto de confinamiento de la luz en el lado de la superficie incidente y el lado de la superficie posterior del GaSe / MoSe ₂ La célula solar de heterounión también es un tema importante en el futuro.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen dentro del artículo.

Abreviaturas

Materiales 2D:: Materiales bidimensionales
AFM:: Microscopía de fuerza atómica
OM:: Microscopio óptico
I _sc :: Corriente de cortocircuito
V _oc :: Voltaje de circuito abierto
J _sc :: Densidad de corriente de cortocircuito
FF :: Factor de relleno

Mecanismo de formación de superredes de nanopartículas bien ordenadas y empaquetadas densamente depositadas de la fase gaseosa en superficies sin plantillas Nanorods de oro recubiertos con BSA para la terapia fototérmica NIR-II

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