Desempenho Fotovoltaico de Heterojunções Verticais GaSe/MoSe₂: Insights de Semicondutores 2D

Resumo

Materiais bidimensionais (2D), com camadas atomicamente finas, oferecem potencial transformador para eletrônica e optoeletrônica. Monocalcogenetos e dicalcogenetos de metais de transição — especificamente seleneto de gálio (GaSe) e diseleneto de molibdênio (MoSe₂) — apresentam lacunas de banda intrínsecas e altas mobilidades de portadores mesmo como monocamadas, tornando-os atraentes para dispositivos fotovoltaicos flexíveis. Aqui, fabricamos uma heterojunção vertical GaSe/MoSe₂ por esfoliação mecânica e transferência de flocos naturais sobre eletrodos de titânio padronizados em substratos Si/SiO₂. O dispositivo, compreendendo ~118 nm de GaSe tipo-p e ~79 nm de MoSe₂ tipo-n, é testado no escuro e sob luz solar simulada variando de 0,5 a 1,5 sol. Tanto a corrente de curto-circuito (I_sc) quanto a tensão de circuito aberto (V_oc) aumentam com a intensidade de iluminação, atingindo 0,41 V e 0,46 % de eficiência a 1,5 sol. Estas descobertas confirmam a viabilidade de heterojunções 2D para tecnologia fotovoltaica de próxima geração.

Introdução

Materiais bidimensionais (2D) exibem propriedades ópticas e eletrônicas únicas que os diferenciam de seus equivalentes em massa. Sua forte absorção em todo o espectro solar, alta eficiência radiativa interna e lacunas de banda ajustáveis os tornam candidatos primários para células solares de junção única e tandem. Enquanto heteroestruturas in-plane oferecem interfaces atomicamente nítidas através de crescimento contínuo, heterojunções out-of-plane (verticais) permitem áreas ativas maiores e arquiteturas empilháveis — uma abordagem que exploramos com um dispositivo vertical GaSe/MoSe₂.

GaSe, longamente procurado para fotodetectores e óptica não-linear, foi historicamente limitado por desafios de crescimento de cristais. Avanços recentes na síntese de materiais 2D reviveram o interesse, revelando lacuna de banda quasi-direta próxima a 2 eV e alta absorção óptica. MoSe₂, um dicalcogeneto de metal de transição prototípico, exibe lacuna de banda direta de ~1,6 eV na forma de monocamada e mobilidades de portadores na faixa de centenas de cm² V⁻¹ s⁻¹, posicionando-o como camada ativa optoeletrônica e material de canal de transistor.

Apesar de previsões teóricas de altas eficiências de conversão para heterojunções 2D, relatórios experimentais ficam aquém devido a limitações de qualidade de material e interface. Além disso, a dinâmica de separação de portadores em pilhas 2D verticais permanece mal compreendida. Este estudo aborda essas lacunas medindo as características corrente-tensão (I-V) de uma heterojunção GaSe/MoSe₂ em uma gama de intensidades de luz, fornecendo insights sobre a física do dispositivo subjacente.

Métodos

Eletrodos de Ti (50 nm) de quatro terminais foram depositados em wafers de Si tipo-p com 300 nm de SiO₂ termicamente crescido via evaporação por feixe de elétrons. Flocos naturais de GaSe e MoSe₂ foram esfoliados mecanicamente em PDMS e transferidos sequencialmente sobre os eletrodos de Ti, seguindo protocolos estabelecidos. A pilha Ti/GaSe/MoSe₂ concluída foi recozida a 400 °C em N₂ por duas horas para melhorar o acoplamento intercamadas.

Caracterização óptica envolveu espectroscopia UV-Vis micro (JASCO MSV-5300) para obter transmitância (T) e reflectância (R) sobre 200–1600 nm. Absorbância (A) foi calculada como A = 1 – T – R, e o coeficiente de absorção (α) derivado via α = [ln(1 – R) – ln T]/d, onde d é a espessura do floco medida por AFM (HITACHI Nano Navi). Espectros de Raman e fotoluminescência micro (PL) foram registrados com laser de 532 nm (1,5 mW para Raman, 0,3 mW para PL) usando objetiva 100× a 25 °C.

Desempenho fotovoltaico foi medido a 25 °C sob simulador solar (0,5–1,5 sol). A área ativa — definida por microscopia óptica — foi ~490 µm². Resposta espectral foi obtida combinando fonte de luz monocromática com picoamperímetro.

Resultados e Discussão

A Figura 1 mostra a transmitância, reflectância e absorbância derivada de um floco de GaSe (~638 nm espesso). O coeficiente de absorção aumenta abruptamente próximo à lacuna de banda (~2 eV), confirmando sua natureza quasi-direta. Em contraste, a Figura 2 revela que um floco de MoSe₂ de ~99 nm exibe coeficiente de absorção excedendo o de GaSe em mais de uma ordem de magnitude, com picos excitônicos pronunciados a 1,5 eV.

Espectros de Raman do dispositivo GaSe/MoSe₂ exibem picos claros a 133, 214 e 309 cm⁻¹, correspondentes aos modos A_1g, E_1g e A_2g, respectivamente — evidência de alta cristalinidade. PL de GaSe mostra picos a 626 nm e 655 nm, representando lacunas de banda direta e indireta, enquanto Raman de MoSe₂ exibe picos A_1g em ~236 e 243 cm⁻¹, confirmando a qualidade do material.

A Figura 5 ilustra o layout do dispositivo: GaSe contata os eletrodos de Ti esquerdo e inferior, MoSe₂ contata os eletrodos direito e superior, com área ativa de ~490 µm². AFM confirma espessuras de flocos de 118 nm (GaSe) e 79 nm (MoSe₂), correspondendo a ~120–130 camadas.

Sob iluminação, as curvas I-V (Figura 6a) demonstram retificação clara e resposta fotovoltaica. I_sc escala linearmente com intensidade de luz, enquanto V_oc segue a relação ideal do diodo V_oc = (nk_BT/q) ln(I_L/I_dark + 1), resultando em fator de idealidade n ≈ 1,11 — indicativo de uma heterojunção eficiente com forte campo elétrico interno. A 1 sol, J_sc é 3,11 mA cm⁻², fator de preenchimento 0,44 e eficiência 0,54 %. Embora a resistência série limite o fator de preenchimento em irradiancias maiores, o desempenho geral permanece comparável.

Simulações ópticas (e-ARC) preveem J_sc máximo de 19,29 mA cm⁻² em 300–950 nm se todos os portadores gerados forem coletados. A discrepância entre correntes simuladas e experimentais sugere potencial built-in sub-ótimo e destaca oportunidades para otimizar espessura do absorvedor, funções de trabalho dos contatos e estratégias de armadilha de luz — como aprimoramento plasmônico — para aumentar a eficiência.

Conclusões

Fabricamos e caracterizamos com sucesso uma heterojunção vertical GaSe/MoSe₂ via descascamento mecânico. MoSe₂ exibe coeficiente de absorção marcadamente maior que GaSe, e ambos os materiais retêm alta cristalinidade após montagem do dispositivo. Aumentar a iluminação de 0,5 a 1,5 sol eleva tanto I_sc quanto V_oc, atingindo 0,41 V de V_oc e 0,46 % de eficiência a 1,5 sol. Modelagem óptica indica que otimização adicional da espessura do absorvedor e engenharia de interface poderia aumentar substancialmente J_sc e eficiência geral. Técnicas de armadilha de luz em ambas as superfícies do dispositivo também apresentam rota promissora para ganhos futuros de desempenho.