Rendimiento fotovoltaico de heterouniones verticales GaSe/MoSe₂: Perspectivas desde semiconductores 2D

Resumen

Los materiales bidimensionales (2D), con capas atómicamente delgadas, ofrecen potencial transformador para electrónica y optoelectrónica. Monocalcogenuros y dicalcogenuros de metales de transición —específicamente seleniuro de galio (GaSe) y diseleniuro de molibdeno (MoSe₂)— presentan bandas prohibidas intrínsecas y altas movilidades de portadores incluso como monocapas, lo que los hace atractivos para dispositivos fotovoltaicos flexibles. Aquí, fabricamos una heterounión vertical GaSe/MoSe₂ mediante exfoliación mecánica y transferencia de copos naturales sobre electrodos de titanio patternados en sustratos Si/SiO₂. El dispositivo, que comprende ~118 nm de GaSe tipo p y ~79 nm de MoSe₂ tipo n, se prueba en oscuridad y bajo luz solar simulada de 0,5 a 1,5 soles. Tanto la corriente de cortocircuito (I_sc) como el voltaje de circuito abierto (V_oc) aumentan con la intensidad de iluminación, alcanzando 0,41 V y 0,46 % de eficiencia a 1,5 soles. Estos hallazgos confirman la viabilidad de heterouniones 2D para tecnología fotovoltaica de próxima generación.

Introducción

Los materiales 2D exhiben propiedades ópticas y electrónicas únicas que los distinguen de sus contrapartes a granel. Su fuerte absorción a lo largo del espectro solar, alta eficiencia radiativa interna y bandas prohibidas ajustables los convierten en candidatos principales tanto para celdas solares de unión simple como en tándem. Mientras que las heteroestructuras en el plano ofrecen interfaces atómicamente nítidas mediante crecimiento continuo, las heterouniones fuera del plano (verticales) permiten áreas activas mayores y arquitecturas apilables —un enfoque que explotamos con un dispositivo vertical GaSe/MoSe₂.

GaSe, buscado durante mucho tiempo para fotodetectores y óptica no lineal, ha estado históricamente limitado por desafíos de crecimiento de cristales. Avances recientes en síntesis de materiales 2D han revivido el interés, revelando una banda prohibida cuasi-directa cerca de 2 eV y alta absorción óptica. MoSe₂, un dicalcogenuro de metal de transición prototípico, muestra una banda prohibida directa de ~1,6 eV en forma de monocapa y movilidades de portadores en el rango de cientos de cm² V⁻¹ s⁻¹, posicionándolo como capa activa optoelectrónica y material de canal de transistor.

A pesar de predicciones teóricas de altas eficiencias de conversión para heterouniones 2D, los reportes experimentales rezagan debido a limitaciones de calidad de material e interfaz. Además, la dinámica de separación de portadores en pilas verticales 2D permanece mal entendida. Este estudio aborda estas brechas midiendo las características corriente-voltaje (I-V) de una heterounión GaSe/MoSe₂ a lo largo de un rango de intensidades de luz, proporcionando insights sobre la física del dispositivo subyacente.

Métodos

Electrodos Ti de cuatro terminales (50 nm) se depositaron en wafers de Si tipo p con 300 nm de SiO₂ termicamente crecido mediante evaporación de haz de electrones. Copos naturales de GaSe y MoSe₂ se exfoliaron mecánicamente sobre PDMS y se transfirieron secuencialmente sobre los electrodos Ti, siguiendo protocolos establecidos. La pila Ti/GaSe/MoSe₂ completada se recoció a 400 °C en N₂ durante dos horas para mejorar el acoplamiento intercapas.

La caracterización óptica involucró micro-espectroscopía UV–Vis (JASCO MSV‑5300) para obtener transmitancia (T) y reflectancia (R) sobre 200–1600 nm. La absorbancia (A) se calculó como A = 1 – T – R, y el coeficiente de absorción (α) se derivó vía α = [ln(1 – R) – ln T]/d, donde d es el espesor del copo medido por AFM (HITACHI Nano Navi). Espectros Raman y micro-fotoluminiscencia (PL) se registraron con láser de 532 nm (1,5 mW para Raman, 0,3 mW para PL) usando objetivo 100× a 25 °C.

El rendimiento fotovoltaico se midió a 25 °C bajo un simulador solar (0,5–1,5 soles). El área activa —definida por microscopía óptica— fue ~490 µm². La respuesta espectral se obtuvo combinando una fuente de luz monocromática con un picoamperímetro.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra la transmitancia, reflectancia y absorbancia derivada de un copo de GaSe (~638 nm de espesor). El coeficiente de absorción aumenta bruscamente cerca de la banda prohibida (~2 eV), confirmando su naturaleza cuasi-directa. En contraste, la Figura 2 revela que un copo de MoSe₂ de ~99 nm exhibe un coeficiente de absorción que supera al de GaSe en más de un orden de magnitud, con picos excitónicos pronunciados a 1,5 eV.

Los espectros Raman del dispositivo GaSe/MoSe₂ muestran picos claros a 133, 214 y 309 cm⁻¹, correspondientes a los modos A_1g, E_1g y A_2g, respectivamente —evidencia de alta cristalinidad. La PL de GaSe muestra picos a 626 nm y 655 nm, representando bandas prohibidas directa e indirecta, mientras que el Raman de MoSe₂ exhibe picos A_1g a ~236 y 243 cm⁻¹, confirmando la calidad del material.

La Figura 5 ilustra la disposición del dispositivo: GaSe contacta los electrodos Ti izquierdo e inferior, MoSe₂ contacta los electrodos derecho y superior, con un área activa de ~490 µm². AFM confirma espesores de copo de 118 nm (GaSe) y 79 nm (MoSe₂), correspondientes a ~120–130 capas.

Bajo iluminación, las curvas I-V (Figura 6a) demuestran rectificación clara y respuesta fotovoltaica. I_sc escala linealmente con la intensidad de luz, mientras que V_oc sigue la relación ideal del diodo V_oc = (nk_BT/q) ln(I_L/I_dark + 1), produciendo un factor de idealidad n ≈ 1,11 —indicativo de una heterounión eficiente con fuerte campo eléctrico interno. A 1 sol, J_sc es 3,11 mA cm⁻², factor de llenado 0,44 y eficiencia 0,54 %. Aunque la resistencia en serie limita el factor de llenado a irradiancias más altas, el rendimiento general permanece comparable.

Simulaciones ópticas (e-ARC) predicen un J_sc máximo de 19,29 mA cm⁻² a lo largo de 300–950 nm si todos los portadores generados son colectados. La discrepancia entre corrientes simuladas y experimentales sugiere potencial incorporado subóptimo y destaca oportunidades para optimizar espesor de absorbedor, funciones de trabajo de contactos y estrategias de trampa de luz —como mejora plasmónica— para impulsar la eficiencia.

Conclusiones

Fabricamos y caracterizamos exitosamente una heterounión vertical GaSe/MoSe₂ mediante exfoliación mecánica. MoSe₂ exhibe un coeficiente de absorción marcadamente mayor que GaSe, y ambos materiales retienen alta cristalinidad tras el ensamblaje del dispositivo. Aumentar la iluminación de 0,5 a 1,5 soles eleva tanto I_sc como V_oc, alcanzando 0,41 V de V_oc y 0,46 % de eficiencia a 1,5 soles. El modelado óptico indica que una mayor optimización del espesor del absorbedor e ingeniería de interfaz podría mejorar sustancialmente J_sc y la eficiencia general. Técnicas de trampa de luz en ambas superficies del dispositivo también presentan una ruta prometedora para futuras ganancias de rendimiento.