Características fotovoltaicas de dispositivos de heterojunção GaSe / MoSe2

Resumo

Os materiais bidimensionais têm a espessura de um nível de camada atômica e são esperados como materiais alternativos para a eletrônica e optoeletrônica do futuro devido às suas propriedades específicas. Especialmente recentemente, os monochalcogenetos e dichalcogenetos de metais de transição têm chamado a atenção. Uma vez que esses materiais têm uma lacuna de banda ao contrário do grafeno e exibem uma propriedade semicondutora mesmo em uma única camada, a aplicação em uma nova optoeletrônica flexível é esperada. Neste estudo, as características fotovoltaicas de um GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção usando semicondutores bidimensionais, GaSe tipo p e MoSe tipo n ₂ , foram investigados. O dispositivo de heterojunção foi preparado transferindo GaSe e MoSe ₂ sobre o substrato no qual os eletrodos de titânio foram fabricados através de um método de peeling mecânico. As características de corrente-tensão do GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção foram medidos no escuro e sob irradiação de luz usando um simulador solar. A intensidade da luz de irradiação foi alterada de 0,5 para 1,5 sol. Foi descoberto que quando a iluminância foi aumentada nesta faixa de iluminância, tanto a corrente de curto-circuito quanto a tensão de circuito aberto aumentaram. A tensão de circuito aberto e a eficiência de conversão de energia foram de 0,41 V e 0,46% na condição de 1,5 sol, respectivamente.

Introdução

Foi descoberto que materiais bidimensionais (2D) têm várias características únicas que não são uma extensão da ciência de materiais convencional [1,2,3,4,5]. Em particular, eles estão atraindo a atenção como materiais optoeletrônicos devido às propriedades físicas notáveis, como sua forte absorção óptica na região do espectro solar [6], altas eficiências radiativas internas [7] e lacunas de banda sintonizáveis ​​tanto para single- como multi- células solares de junção [8]. Algumas células solares são feitas de materiais 2D formando heterojunções no plano e fora do plano. O primeiro é caracterizado pelo fato de que uma interface de heterojunção muito limpa pode ser formada pelo crescimento contínuo de diferentes tipos de materiais 2D [9, 10]. Por outro lado, no último caso, uma vez que a área de heterojunção pode ser aumentada, e células solares em tandem podem ser fabricadas empilhando várias junções, as características da célula solar do GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção vertical foram avaliados neste estudo.

O seleneto de gálio tem sido esperado como um material óptico para fotodetectores e ópticas não lineares, mas sua aplicação prática tem sido promovida apenas em situações limitadas devido à dificuldade de sintetizar monocristais [11,12,13]. No entanto, devido aos avanços recentes na ciência dos materiais bidimensionais, este material óptico em camadas tem atraído a atenção novamente [14,15,16,17,18,19,20,21]. MoSe ₂ é um dichalcogeneto de metal de transição típico, o íon Mo nesses compostos é cercado por seis Se ²⁻ íons. A geometria de coordenação do Mo é considerada octaédrica e trigonal prismática. Monolayer MoSe ₂ exibe propriedades semicondutoras com um bandgap direto de cerca de 1,6 eV e tem uma mobilidade de portadora relativamente alta na ordem das centenas [22]. Portanto, MoSe ₂ está atraindo a atenção não apenas como optoeletrônica, mas também como um material de região ativa para transistores [23, 24].

Essas heterojunções de materiais 2D têm alto potencial como materiais de células solares devido às propriedades já descritas de que eficiências de conversão teórica muito altas para junções simples e tandem foram demonstradas graças à alta eficiência radiativa externa [8], mas eficiências de conversão relatadas até agora devido com material e qualidade de interface e design de dispositivo inadequados [25,26,27]. Além disso, ainda existem muitos pontos obscuros sobre a física do dispositivo na heteroestrutura fora do plano de materiais 2D, especialmente o processo de separação de portadores, que é importante em células solares.

Neste artigo, as características de corrente-tensão do GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção fabricado através de um método de peeling mecânico foram medidos no escuro e sob irradiação de luz usando um simulador solar. A intensidade da luz de irradiação foi alterada de 0,5 para 1,5 sol. Foi descoberto que quando a iluminância foi aumentada nesta faixa de iluminância, tanto a corrente de curto-circuito quanto a tensão de circuito aberto aumentaram. A tensão de circuito aberto e a eficiência de conversão de energia foram de 0,41 V e 0,46% na condição de 1,5 sol, respectivamente.

Métodos

Nós fabricamos dispositivos de quatro terminais usando eletrodos de titânio (Ti) de 50 nm de espessura depositados por evaporação de feixe de elétrons em substratos de silício tipo p cobertos com 300 nm de dióxido de silício oxidado termicamente (SiO ₂ ) Transferimos flocos de GaSe e MoSe naturais ₂ (HQ grafeno) sobre os eletrodos de Ti sequencialmente usando polidimetilsiloxano (PDMS, Dow Toray) por esfoliação mecânica, conforme descrito no relatório anterior [23]. Finalmente, o Ti / GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção foi recozido a 400 ° C sob atmosfera de gás nitrogênio por duas horas. Os espectros de transmitância e refletância em algumas áreas de dez micro metros quadrados foram obtidos usando flocos transferidos em substratos de vidro por um espectrômetro micro-UV-Vis com uma lente objetiva cassegrain de banda larga (JASCO MSV-5300). A espessura de cada amostra de flocos foi determinada a partir do perfil linear de imagens de microscopia de força atômica (AFM) (HITACHI Nano Navi Real). As medidas de micro-PL e Raman foram realizadas com um laser de excitação de onda contínua com emissão a 532 nm acoplado a uma objetiva de microscópio 100 × a 25 ° C. As intensidades de luz de excitação para medições Raman e PL foram 1,5 e 0,3 mW, respectivamente. O desempenho da célula solar foi medido a uma temperatura de amostra de 25 ° C usando um simulador solar com uma intensidade variável entre 0,5 sol e 1,5 sol. A resposta espectral foi avaliada combinando uma fonte de luz monocromática e um pico-amperímetro. A partir da imagem microscópica óptica, a região de heterojunção foi determinada como a área ativa das células solares.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra a transmitância ( T ) e refletância ( R ) espectros de flocos de GaSe em substratos de vidro. As linhas vermelhas e azuis sólidas mostram os espectros de transmitância e refletância medidos na faixa de 200–1600 nm, respectivamente. O espectro de absorbância ( A ) representado por uma linha preta sólida foi calculado pela seguinte relação;
$$ A =1 - T - R $$ (1)
a Espectro de transmitância, refletância, absorvância e b coeficiente de absorção do floco de GaSe. Detalhe:imagem do microscópio óptico do floco de GaSe

O coeficiente de absorção foi calculado seguindo a equação, conforme mostrado na Fig. 1b.
$$ \ alpha =\ frac {{\ ln \ left ({1 - R} \ right) - \ ln T}} {d} $$ (2)
onde d é a espessura da amostra, que foi estimada em 638 ± 29 nm por medição AFM. O coeficiente de absorção de GaSe aumentou gradualmente de cerca de 2 eV correspondendo ao bandgap. Uma vez que o máximo da banda de valência existe no ponto Γ, e a parte inferior da banda de condução no ponto Γ está apenas algumas dezenas de meV acima do mínimo da banda de condução no ponto M, GaSe é considerado um bandgap quase direto [12]. Os excitons diretos também são conhecidos por estarem no ponto Γ de energia muito próximos das transições interbandas diretas e indiretas [12, 19]. A inserção da Fig. 1b mostra a imagem do microscópio óptico (OM) do floco de GaSe para medição. O círculo centralizado na imagem OM indica a área de medição. Por outro lado, a Fig. 2 mostra as propriedades ópticas do MoSe ₂ flocos com espessura de 99 ± 3 nm transferidos em substratos de vidro. O coeficiente de absorção de MoSe ₂ exibiu mais de uma ordem de magnitude maior do que a de GaSe. O aumento acentuado de 1,5 eV e dois picos orientados para exciton foram compatíveis com relatórios anteriores [28, 29].

a Espectro de transmitância, refletância, absorvância e b coeficiente de absorção de MoSe ₂ Floco. Detalhe:imagem de microscópio óptico de MoSe ₂ Floco

Em seguida, a cristalinidade e outras propriedades ópticas desses materiais bidimensionais foram investigadas por Raman e PL. Os espectros Raman e PL foram medidos usando GaSe / MoSe fabricado ₂ dispositivos de heterojunção. O Raman atinge o pico em 133, 214 e 309 cm ⁻¹ foram observados como mostrado na Fig. 3a. O Raman atinge o pico em 133 e 309 cm ⁻¹ indicar os modos vibracionais planos de A ¹ _1g (133 cm ⁻¹ ) e A ² _1g (309 cm ⁻¹ ), respectivamente. O outro pico em 214 cm ⁻¹ vem da vibração de selenetos no modo fora do plano, denominado E ¹ _2g [15, 17]. Essas vibrações cristalinas claras indicam alta cristalinidade de flocos de GaSe transferidos. A Figura 3b mostra o espectro PL obtido a partir de flocos de GaSe em substrato de Si a 25 ° C. Os picos do PL são em torno de 626 e 655 nm, correspondendo aos bandgaps direto e indireto, respectivamente. O bandgap indireto define apenas 25 meV abaixo do bandgap direto em GaSe [18, 19]. Os espectros Raman de MoSe ₂ transferido em substratos de Si indicou dois picos óbvios em torno de 236 e 243 cm ⁻¹ , que correspondem a A _1g modo como mostrado na Fig. 4a. Os espectros Raman e luminescência (Fig. 4b) indicam alta qualidade do MoSe transferido ₂ flocos em substratos de Si.

a Raman e b Espectros PL do floco de GaSe

a Raman e b Espectros PL de MoSe ₂ Floco

A Figura 5a mostra a imagem microscópica óptica do GaSe / MoSe fabricado ₂ dispositivo de heterojunção contatado com eletrodos de Ti. O floco de GaSe é contatado com os eletrodos esquerdo e inferior, e o MoSe ₂ o floco é contatado com os eletrodos direito e superior, respectivamente. A região de heterojunção definida como a área ativa das células solares foi estimada em 490 μm ² desta imagem. O desempenho da célula solar foi medido usando eletrodos inferior e superior sob luz solar simulada. A espessura desses GaSe e MoSe ₂ os flocos foram estimados em 118 e 79 nm por medição de AFM, respectivamente. Ambas as espessuras de filme correspondem a 120-130 camadas. Imagem esquemática e diagrama de banda de GaSe / MoSe ₂ dispositivo de heterojunção foram ilustrados na Fig. 5b, c, respectivamente.

a Imagem microscópica óptica, b imagem esquemática e c diagrama de banda do GaSe / MoSe fabricado ₂ dispositivo de heterojunção

As características de corrente-tensão do GaSe / MoSe fabricado ₂ dispositivo de heterojunção sob condição de luz solar de 0,5-1,5 são mostrados na Fig. 6a. É claro que este dispositivo de heterojunção exibe retificação e efeito fotovoltaico, e também pode ser visto que o I - V a curva muda dependendo da intensidade de irradiação da luz da Fig. 6a. A Figura 6b mostra um resumo da dependência da intensidade de irradiação de luz da corrente de curto-circuito ( I _sc ) e a tensão de circuito aberto ( V _oc ) eu _sc aumenta linearmente com a intensidade de irradiação de luz nesta faixa. Por outro lado, pode-se verificar que V _oc aumenta logaritmicamente em relação à intensidade de irradiação da luz. Como a seguinte expressão relacional é válida para um diodo ideal, o fator ideal foi estimado em 1,11 por ajuste.
$$ V _ {{{\ text {oc}}}} =\ frac {{nk _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ ln \ left ({\ frac {{I _ {{\ text {L}}}}} {{I _ {{{\ text {dark}}}}}} + 1} \ right) $$ (3)
onde n é o fator de idealidade, k _B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura do dispositivo, q é a unidade fundamental de carga, de forma que \ (\ frac {{k _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ approx \) 0,0258 V à temperatura ambiente. O eu _L e eu _escuro são foto e corrente escura, respectivamente. Um fator ideal próximo a 1 indica que este GaSe / MoSe ₂ A estrutura forma uma heterojunção ideal na qual um campo elétrico interno suficiente para dissociar os excitons está presente. A densidade de corrente de curto-circuito ( J _sc ) foi calculado como 3,11 mA / cm ² da área ativa definida pela imagem ótica. O fator de preenchimento ( FF ) e eficiência de conversão ( η ) foram estimados em 0,44 e 0,54% sob uma única condição solar, respectivamente. Desde o FF diminuiu devido à influência da resistência em série ao irradiar por 1 sol ou mais, o η era quase o mesmo de quando irradiava por 1 sol, embora o J _sc e o V _oc .aumentou. Para melhorar o FF , é necessário melhorar a configuração do dispositivo, como encurtar a distância até o eletrodo.

a eu - V características e b dependência da intensidade de irradiação de luz de GaSe / MoSe ₂ desempenho de célula solar de heterojunção

Em seguida, estimamos a eficiência quântica externa do GaSe / MoSe ₂ heterojunção usando um simulador óptico (e-ARC) [29]. Os cálculos foram feitos com uma estrutura completamente plana em que GaSe e MoSe ₂ com a mesma espessura de filme que o dispositivo fabricado foram laminados em um substrato de Si plano. As constantes ópticas de GaSe e MoSe ₂ foram referidos aos valores relatados [30, 31]. A perda de transportador induzida pela recombinação na interface do material e nas regiões da massa são totalmente incorporadas. Os espectros de absorbância simulados são mostrados na Fig. 7. A região de cor verde mostra a região de absorção do GaSe / MoSe ₂ heterojunção, que é a soma da absorção de GaSe indicada pela linha tracejada azul e a absorção de MoSe ₂ indicado pela linha tracejada vermelha. A região amarela é transmitida e absorvida pelo substrato de Si, e as outras regiões apresentam componentes de reflexão. O máximo J _sc na faixa de comprimento de onda de 300-950 nm foi estimado em 19,29 mA / cm ² se os fototransportadores gerados pudessem ser completamente coletados do dispositivo fabricado. Nossos resultados de simulação previram que o J _sc aumentaria, e 23 mA / cm ² poderia ser obtido quando a espessura do filme de GaSe era de cerca de 60 nm. A grande dissociação entre o valor de corrente calculado e o valor experimental pode ser devido ao potencial embutido insuficiente no dispositivo fabricado. Se esta hipótese estiver correta, otimizar a espessura do filme da camada absorvente e otimizar a função de trabalho do material de contato poderia melhorar significativamente o J _sc . Além disso, uma vez que o resultado da simulação mostra que o componente de reflexão também é grande, pode-se dizer que o efeito de confinamento da luz no lado da superfície incidente e no lado da superfície posterior do GaSe / MoSe ₂ célula solar de heterojunção também é uma questão importante no futuro. A tecnologia de plasmon de superfície é considerada muito eficaz para o confinamento da luz em células solares bidimensionais baseadas em materiais [32].

Os espectros de absorbância simulados de GaSe / MoSe ₂ heterojunção

Conclusões

Em conclusão, nós fabricamos o GaSe / MoSe ₂ dispositivos de heterojunção através de um método de peeling mecânico e analisou o desempenho fotovoltaico. O coeficiente de absorção obtido a partir dos espectros de transmitância e refletância de MoSe ₂ exibiu mais de uma ordem de magnitude maior do que a de GaSe. Os espectros Raman e luminescência de GaSe e MoSe ₂ indicou que a alta cristalinidade mantida após a fabricação do dispositivo. Tanto a corrente de curto-circuito quanto a voltagem de circuito aberto aumentam quando a intensidade da luz é aumentada de 0,5 para 1,5 sol. A tensão de circuito aberto e a eficiência de conversão de energia foram de 0,41 V e 0,46% na condição de 1,5 sol, respectivamente. O máximo J _sc na faixa de comprimento de onda de 300-950 nm foi estimado em 19,29 mA / cm ² se os fototransportadores gerados pudessem ser completamente coletados do dispositivo fabricado a partir do estudo de simulação óptica. A otimização da espessura do filme da camada absorvente e a otimização da função de trabalho do material de contato podem melhorar significativamente o J _sc . Além disso, o efeito de confinamento de luz no lado da superfície incidente e no lado da superfície posterior do GaSe / MoSe ₂ célula solar de heterojunção também é uma questão importante no futuro.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

Materiais 2D:

Materiais bidimensionais

AFM:

Força atômica microscópica

OM:

Microscópio óptico

I _sc :

Corrente de curto-circuito

V _oc :

Voltagem de circuito aberto

J _sc :

Densidade de corrente de curto-circuito

FF :

Fator de preenchimento

Mecanismo de formação de superredes bem ordenadas de nanopartículas densamente compactadas depositadas da fase gasosa em superfícies livres de modelo Nanorods de ouro revestidos com BSA para terapia fototérmica NIR-II