Фотоэлектрические характеристики устройств с гетеропереходом GaSe / MoSe2

Введение

Было обнаружено, что двумерные (2D) материалы обладают различными уникальными характеристиками, которые не являются расширением традиционного материаловедения [1,2,3,4,5]. В частности, они привлекают внимание как оптоэлектронные материалы благодаря заметным физическим свойствам, таким как сильное оптическое поглощение в области солнечного спектра [6], высокая эффективность внутреннего излучения [7] и настраиваемая ширина запрещенной зоны как для одно-, так и для многочастотных измерений. переходные солнечные элементы [8]. Некоторые солнечные элементы сделаны из 2D-материалов путем образования плоских и внеплоскостных гетеропереходов. Первый отличается тем, что очень чистый интерфейс гетероперехода может быть сформирован путем непрерывного выращивания различных типов 2D-материалов [9, 10]. С другой стороны, в последнем случае, поскольку площадь гетероперехода может быть увеличена, а тандемные солнечные элементы могут быть изготовлены путем объединения нескольких переходов, характеристики солнечного элемента GaSe / MoSe ₂ В этом исследовании оценивались устройства с вертикальным гетеропереходом.

Селенид галлия долгое время ожидался в качестве оптического материала для фотоприемников и нелинейной оптики, но его практическое применение было продвинуто только в ограниченных ситуациях из-за сложности синтеза монокристаллов [11,12,13]. Однако, благодаря недавним достижениям в области двумерного материаловедения, этот слоистый оптический материал снова привлекает внимание [14,15,16,17,18,19,20,21]. MoSe ₂ представляет собой типичный дихалькогенид переходного металла, ион Мо в этих соединениях окружен шестью Se ^2- ионы. Координационная геометрия Mo обнаруживается как октаэдрическая и тригонально-призматическая. Монослой MoSe ₂ проявляет полупроводниковые свойства с прямой запрещенной зоной около 1,6 эВ и имеет относительно высокую подвижность носителей, порядка сотен [22]. Следовательно, MoSe ₂ привлекает внимание не только как оптоэлектроника, но и как материал активной области транзисторов [23, 24].

Эти двухмерные материальные гетеропереходы обладают высоким потенциалом в качестве материалов для солнечных элементов из-за уже описанных свойств, которые были продемонстрированы очень высокой теоретической эффективностью преобразования для одно- и тандемных переходов благодаря высокой эффективности внешнего излучения [8], но эффективность преобразования, о которой сообщалось до сих пор, связана с к неудовлетворительному качеству материалов и интерфейсов и конструкции устройства [25,26,27]. Кроме того, до сих пор остается много неясных моментов в отношении физики устройства в внеплоскостной гетероструктуре 2D-материалов, особенно в процессе разделения носителей, который важен в солнечных элементах.

В данной статье вольт-амперные характеристики GaSe / MoSe ₂ устройства с гетеропереходом, изготовленные методом механического отслаивания, были измерены в темноте и при световом облучении с использованием имитатора солнечного излучения. Интенсивность облучаемого света изменяли с 0,5 до 1,5 солнечных. Было обнаружено, что при увеличении освещенности в этом диапазоне освещенности увеличиваются как ток короткого замыкания, так и напряжение холостого хода. Напряжение холостого хода и эффективность преобразования энергии составляли 0,41 В и 0,46% при 1,5 солнечном свете соответственно.

Методы

Мы изготовили четырехполюсные устройства с использованием титановых (Ti) электродов толщиной 50 нм, нанесенных электронно-лучевым испарением на кремниевые подложки p-типа, покрытые 300 нм термически окисленного диоксида кремния (SiO ₂ ). Перенесли чешуйки природного GaSe и MoSe ₂ (HQ-графен) на Ti-электроды последовательно с использованием полидиметилсилоксана (PDMS, Dow Toray) путем механического отшелушивания, как описано в предыдущем отчете [23]. Наконец, Ti / GaSe / MoSe ₂ Устройство с гетеропереходом отжигали при 400 ° C в атмосфере газообразного азота в течение двух часов. Спектры пропускания и отражения на площадях площадью несколько десятков микрометров были получены с использованием перенесенных чешуек на стеклянные подложки с помощью спектрометра микро-УФ-видимого диапазона с широкополосными объективами кассегрена (JASCO MSV-5300). Толщина чешуек каждого образца определялась по профилю линии изображений атомно-силовой микроскопии (АСМ) (HITACHI Nano Navi Real). Измерения микро-ФЛ и комбинационного рассеяния проводились с помощью лазера с возбуждением непрерывной волны, излучающего на длине волны 532 нм, соединенного с объективом микроскопа 100х при 25 ° C. Интенсивность возбуждающего света для измерений комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции составляла 1,5 и 0,3 мВт соответственно. Характеристики солнечного элемента были измерены при температуре образца 25 ° C с использованием имитатора солнечного излучения с переменной интенсивностью от 0,5 до 1,5 солнечных. Спектральный отклик оценивался путем объединения источника монохроматического света и пикоамперметра. По оптическому микроскопическому изображению область гетероперехода была определена как активная площадь солнечных элементов.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показан коэффициент пропускания ( T ) и отражательной способности ( R ) спектры чешуек GaSe на стеклянных подложках. Сплошные красные и синие линии показывают измеренные спектры пропускания и отражения в диапазоне 200–1600 нм соответственно. Спектр поглощения ( A ), представленная сплошной черной линией, рассчитывалась по следующему соотношению:

а Спектры пропускания, отражения, поглощения и b коэффициент поглощения чешуйки GaSe. Врезка:изображение чешуйки GaSe, полученное с помощью оптического микроскопа

Коэффициент поглощения был рассчитан по следующему уравнению, как показано на рис. 1b.

где d - толщина образца, оцененная методом АСМ в 638 ± 29 нм. Коэффициент поглощения GaSe постепенно увеличивался от примерно 2 эВ, соответствующих ширине запрещенной зоны. Поскольку максимум валентной зоны существует в Γ-точке, а дно зоны проводимости в Γ-точке всего на несколько десятков мэВ выше минимума зоны проводимости в M-точке, GaSe считается квазипрямой запрещенной зоной [12]. Также известно, что прямые экситоны находятся в Γ-точке с энергией, очень близкой к прямым и непрямым межзонным переходам [12, 19]. На вставке к рис. 1b показано изображение чешуйки GaSe для измерения, полученное с помощью оптического микроскопа (ОМ). Центрированный круг на изображении OM обозначает зону измерения. С другой стороны, на рис. 2 показаны оптические свойства MoSe ₂ . чешуйки толщиной 99 ± 3 нм, перенесенные на стеклянные подложки. Коэффициент поглощения MoSe ₂ более чем на порядок выше, чем у GaSe. Резкое увеличение от 1,5 эВ и два пика, ориентированных на экситоны, были совместимы с предыдущими сообщениями [28, 29].

а Спектры пропускания, отражения, поглощения и b коэффициент поглощения MoSe ₂ хлопья. На вставке:изображение MoSe ₂ с оптического микроскопа. хлопья

Затем кристалличность и другие оптические свойства этих двумерных материалов были исследованы Раманом и ФЛ. Спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции были измерены с использованием изготовленного GaSe / MoSe ₂ . гетеропереходные устройства. Рамановские пики при 133, 214 и 309 см ⁻¹ наблюдались, как показано на рис. 3а. Рамановские пики при 133 и 309 см ⁻¹ указывают на плоские колебательные моды A ¹ _{1 г} (133 см ⁻¹ ) и A ² _{1 г} (309 см ⁻¹ ), соответственно. Другой пик на 214 см ⁻¹ возникает из-за вибрации селенидов во внеплоскостном режиме так называемого E ¹ _{2 г} [15, 17]. Эти четкие кристаллические колебания указывают на высокую кристалличность перенесенных чешуек GaSe. На рис. 3б показан спектр ФЛ чешуек GaSe на подложке Si при 25 ° C. Пики фотолюминесценции составляют около 626 и 655 нм, что соответствует прямой и непрямой запрещенной зоне соответственно. Непрямая запрещенная зона всего на 25 мэВ ниже, чем прямая запрещенная зона в GaSe [18,19]. Рамановские спектры MoSe ₂ перенесенные на подложки Si, показали два очевидных пика при 236 и 243 см ^-1 , которые соответствуют A _1g режим, как показано на рис. 4a. Спектры комбинационного рассеяния света и люминесценции (рис. 4б) указывают на высокое качество перенесенного MoSe ₂ чешуйки на подложках Si.

а Раман и b Спектры ФЛ чешуи GaSe

а Раман и b Спектры ФЛ MoSe ₂ хлопья

На рис. 5а показано оптическое микроскопическое изображение изготовленного GaSe / MoSe ₂ . устройство гетероперехода контактировало с титановыми электродами. Пластинка GaSe контактирует с левым и нижним электродами, а MoSe ₂ пластинка контактирует с правым и верхним электродами соответственно. Область гетероперехода, определяемая как активная площадь солнечных элементов, оценивается в 490 мкм ² . с этого изображения. Характеристики солнечного элемента измерялись с использованием нижнего и верхнего электродов при моделировании солнечного света. Толщина этих GaSe и MoSe ₂ По данным АСМ, размер хлопьев составлял 118 и 79 нм соответственно. Обе эти толщины пленки соответствуют 120–130 слоям. Схематическое изображение и зонная диаграмма GaSe / MoSe ₂ устройства с гетеропереходом были проиллюстрированы на рис. 5b, c соответственно.

а Оптическое микроскопическое изображение, b схематическое изображение и c зонная диаграмма изготовленного GaSe / MoSe ₂ устройство с гетеропереходом

Вольт-амперные характеристики изготовленного GaSe / MoSe ₂ Устройство гетероперехода в условиях 0,5–1,5 солнечного света показано на рис. 6а. Понятно, что это устройство с гетеропереходом демонстрирует выпрямительный и фотоэлектрический эффект, а также видно, что I - V Кривая изменяется в зависимости от интенсивности светового излучения из рис. 6а. На рисунке 6b представлена ​​сводная информация о зависимости тока короткого замыкания от интенсивности светового излучения ( I _sc ) и напряжения холостого хода ( В _oc ). Я _sc линейно возрастает с интенсивностью светового излучения в этом диапазоне. С другой стороны, видно, что V _oc увеличивается логарифмически по отношению к интенсивности светового излучения. Поскольку для идеального диода справедливо следующее относительное выражение, идеальный коэффициент был оценен путем подгонки равным 1,11.

где n коэффициент идеальности, k _B постоянная Больцмана, T это температура устройства, q - основная единица заряда, так что \ (\ frac {{k _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ приблизительно \) 0,0258 В при комнатной температуре. Я _L и я _темный являются фото- и темновыми соответственно. Идеальный коэффициент, близкий к 1, означает, что этот GaSe / MoSe ₂ Структура образует идеальный гетеропереход, в котором присутствует внутреннее электрическое поле, достаточное для диссоциации экситонов. Плотность тока короткого замыкания ( Дж _sc ) был рассчитан как 3,11 мА / см ² от активной области, определяемой оптическим изображением. Коэффициент заполнения ( FF ) и эффективности преобразования ( η ) составили 0,44 и 0,54% при 1 солнечном состоянии соответственно. Поскольку FF уменьшилось из-за влияния последовательного сопротивления при облучении в течение 1 Солнца и более, η было почти таким же, как при облучении на 1 солнце, хотя J _sc и V _oc .вырос. Чтобы улучшить FF , необходимо улучшить конфигурацию устройства, например сократить расстояние до электрода.

а Я - V характеристики и b Зависимость интенсивности светового излучения GaSe / MoSe ₂ производительность солнечных элементов с гетеропереходом

Затем мы оценили внешнюю квантовую эффективность GaSe / MoSe ₂ гетеропереход с помощью оптического симулятора (e-ARC) [29]. Расчеты проводились с полностью плоской структурой, в которой GaSe и MoSe ₂ пленки с такой же толщиной, что и изготовленное устройство, были ламинированы на плоской Si-подложке. Оптические постоянные GaSe и MoSe ₂ были отнесены к заявленным значениям [30, 31]. Потери носителей заряда, вызванные рекомбинацией на границе раздела материалов и объемных областях, полностью учитываются. Смоделированные спектры поглощения показаны на рис. 7. Зеленая область показывает область поглощения GaSe / MoSe ₂ гетеропереход, который представляет собой сумму поглощения GaSe, указанного синей пунктирной линией, и поглощения MoSe ₂ обозначен красной пунктирной линией. Желтая область пропускается и поглощается подложкой Si, а другие области показывают компоненты отражения. Максимальный J _sc в диапазоне длин волн 300–950 нм оценивается как 19,29 мА / см ² если сгенерированные фотоносители могут быть полностью собраны из изготовленного устройства. Результаты нашего моделирования показали, что J _sc увеличится, и 23 мА / см ² могло быть получено при толщине пленки GaSe около 60 нм. Большая диссоциация между расчетным значением тока и экспериментальным значением может быть связана с недостаточным встроенным потенциалом в изготовленном устройстве. Если эта гипотеза верна, оптимизация толщины пленки абсорбирующего слоя и оптимизация работы выхода контактного материала может значительно улучшить J _sc . Кроме того, поскольку этот результат моделирования показывает, что компонент отражения также велик, можно сказать, что эффект ограничения света на стороне падающей поверхности и стороне задней поверхности GaSe / MoSe ₂ солнечные элементы с гетеропереходом также являются важной проблемой в будущем. Технология поверхностных плазмонов считается очень эффективной для удержания света в двумерных солнечных элементах на основе материалов [32].

Смоделированные спектры поглощения GaSe / MoSe ₂ гетеропереход

Выводы

В заключение мы изготовили GaSe / MoSe ₂ устройства с гетеропереходом с помощью метода механического отслаивания и анализа фотоэлектрических характеристик. Коэффициент поглощения, полученный из спектров пропускания и отражения MoSe ₂ более чем на порядок выше, чем у GaSe. Спектры комбинационного рассеяния света и люминесценции GaSe и MoSe ₂ показали, что высокая кристалличность сохраняется после изготовления устройства. Как ток короткого замыкания, так и напряжение холостого хода увеличиваются при увеличении силы света с 0,5 до 1,5 солнечных. Напряжение холостого хода и эффективность преобразования энергии составляли 0,41 В и 0,46% при условии 1,5 солнечного света соответственно. Максимальный J _sc в диапазоне длин волн 300–950 нм оценивается как 19,29 мА / см ² если бы сгенерированные фотоносители могли быть полностью собраны из изготовленного устройства из исследования оптического моделирования. Оптимизация толщины пленки абсорбирующего слоя и оптимизация работы выхода контактного материала может значительно улучшить J _sc . Кроме того, эффект ограничения света на стороне падающей поверхности и стороне задней поверхности GaSe / MoSe ₂ солнечные элементы с гетеропереходом также являются важной проблемой в будущем.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

2D-материалы:

Двумерные материалы

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

OM:

Оптический микроскоп

I _sc :

Ток короткого замыкания

V _oc :

Напряжение холостого хода

J _sc :

Плотность тока короткого замыкания

FF :

Коэффициент заполнения