Фотоэлектрическая характеристика вертикальных гетероструктур GaSe/MoSe₂: идеи из 2D полупроводников

Аннотация

Двумерные (2D) материалы с атомно тонкими слоями предлагают трансформационный потенциал для электроники и оптоэлектроники. Переходно-металлические монохалькогениды и дихалькогениды — особенно селенيد галлия (GaSe) и диселенيد молибдена (MoSe₂) — обладают собственными запрещенными зонами и высокой подвижностью носителей даже в виде монослоев, что делает их привлекательными для гибких фотоэлектрических устройств. Здесь мы изготавливаем вертикальную гетероструктуру GaSe/MoSe₂ механическим отслаиванием и переносом натуральных хлопьев на титановые электроды, структурированные на Si/SiO₂ подложках. Устройство, состоящее из ~118 нм p-типа GaSe и ~79 нм n-типа MoSe₂, тестируется в темноте и под смоделированным солнечным светом от 0,5 до 1,5 солнца. И короткозамкнутый ток (I_sc), и открытое напряжение (V_oc) увеличиваются с интенсивностью освещения, достигая 0,41 В и 0,46 % КПД при 1,5 солнца. Эти выводы подтверждают жизнеспособность 2D гетероструктур для фотоэлектрической технологии следующего поколения.

Введение

2D материалы демонстрируют уникальные оптические и электронные свойства, отличающие их от объемных аналогов. Их сильное поглощение по всему солнечному спектру, высокая внутренняя радиативная эффективность и настраиваемые запрещенные зоны делают их первоклассными кандидатами для как односоединения, так и тандемных солнечных элементов. В то время как вплоскостные гетероструктуры предлагают атомарно острые интерфейсы через непрерывный рост, внеплоскостные (вертикальные) гетероструктуры позволяют большие активные площади и стопочные архитектуры — подход, который мы используем с вертикальным устройством GaSe/MoSe₂.

GaSe, долго востребованный для фотодетекторов и нелинейной оптики, исторически был ограничен проблемами роста кристаллов. Недавние достижения в синтезе 2D материалов возобновили интерес, раскрывая квазипрямую запрещенную зону около 2 эВ и высокое оптическое поглощение. MoSe₂, прототипичный переходно-металлический дихалькогенид, демонстрирует прямую запрещенную зону ~1,6 эВ в форме монослоя и подвижность носителей в сотнях см² В⁻¹ с⁻¹, позиционируя его как и оптоэлектронный активный слой, и транзисторный канальный материал.

Несмотря на теоретические предсказания высоких КПД для 2D гетероструктур, экспериментальные отчеты отстают из-за ограничений качества материала и интерфейса. Более того, динамика разделения носителей в вертикальных 2D стеках остается плохо понятой. Это исследование адресует эти пробелы, измеряя вольт-амперные характеристики (I-V) GaSe/MoSe₂ гетероструктуры по диапазону интенсивностей света, предоставляя идеи в базовую физику устройства.

Методы

Четырехконтактные Ti (50 нм) электроды осаждали на p-типе Si вейферах с 300 нм термически выросшим SiO₂ электронно-лучевым испарением. Натуральные GaSe и MoSe₂ хлопья механически отслаивали на PDMS и последовательно переносили на Ti электроды, следуя установленным протоколам. Завершенный Ti/GaSe/MoSe₂ стек отжигали при 400 °C в N₂ в течение двух часов для улучшения межслойного связывания.

Оптическая характеристика включала микро-UV-Vis спектроскопию (JASCO MSV-5300) для получения пропускания (T) и отражения (R) на 200–1600 нм. Поглощение (A) рассчитывали как A = 1 – T – R, а коэффициент поглощения (α) выводили через α = [ln(1 – R) – ln T]/d, где d — толщина хлопьев, измеренная АФМ (HITACHI Nano Navi). Раман и микро-фото люминесценция (ПЛ) спектры записывали 532 нм лазером (1,5 мВт для Рамана, 0,3 мВт для ПЛ) с 100× объективом при 25 °C.

Фотоэлектрическая производительность измеряли при 25 °C под солнечным симулятором (0,5–1,5 солнца). Активная площадь — определенная из оптической микроскопии — ~490 мкм². Спектральная чувствительность получали комбинацией монохроматического источника света с пикоамперметром.

Результаты и обсуждение

Рисунок 1 показывает пропускание, отражение и полученное поглощение GaSe хлопьи (~638 нм толщиной). Коэффициент поглощения резко возрастает بالقرب запрещенной зоны (~2 эВ), подтверждая ее квазипрямую природу. В противовес, рисунок 2 показывает, что ~99 нм MoSe₂ хлопья демонстрирует коэффициент поглощения, превосходящий GaSe более чем на порядок, с выраженными экситоническими пиками при 1,5 эВ.

Рамановские спектры GaSe/MoSe₂ устройства демонстрируют четкие пики при 133, 214 и 309 см⁻¹, соответствующие A_1g, E_1g и A_2g модам соответственно — доказательство высокой кристалличности. ПЛ от GaSe показывает пики при 626 нм и 655 нм, представляющие прямую и непрямую запрещенные зоны, в то время как Раман MoSe₂ показывает A_1g пики ~236 и 243 см⁻¹, подтверждая качество материала.

Рисунок 5 иллюстрирует компоновку устройства: GaSe контактирует левый и нижний Ti электроды, MoSe₂ — правый и верхний, с активной площадью ~490 мкм². АФМ подтверждает толщину хлопьев 118 нм (GaSe) и 79 нм (MoSe₂), соответствующую ~120–130 слоям.

Под освещением I-V кривые (Рисунок 6a) демонстрируют четкое выпрямление и фотоэлектрический отклик. I_sc линейно масштабируется с интенсивностью света, в то время как V_oc следует идеальному диодному соотношению V_oc = (nk_BT/q) ln(I_L/I_dark + 1), давая идеальность n ≈ 1,11 — индикативный эффективной гетероструктуры с сильным внутренним электрическим полем. При 1 солнце J_sc = 3,11 мА см⁻², коэффициент заполнения 0,44, КПД 0,54 %. Хотя последовательное сопротивление ограничивает коэффициент заполнения при более высоких облученностях, общая производительность остается сопоставимой.

Оптические моделирования (e-ARC) предсказывают максимальный J_sc 19,29 мА см⁻² на 300–950 нм, если все сгенерированные носители собираются. Разница между смоделированными и экспериментальными токами указывает на неоптимальный встроенный потенциал и подчеркивает возможности оптимизации толщины абсорбера, рабочих функций контактов и стратегий светозахвата — таких как плазмонное усиление — для повышения КПД.

Заключение

Мы успешно изготовили и охарактеризовали вертикальную GaSe/MoSe₂ гетероструктуру механическим отслаиванием. MoSe₂ демонстрирует значительно более высокий коэффициент поглощения, чем GaSe, и оба материала сохраняют высокую кристалличность после сборки устройства. Увеличение освещения от 0,5 до 1,5 солнца повышает и I_sc, и V_oc, достигая 0,41 В V_oc и 0,46 % КПД при 1,5 солнца. Оптическое моделирование указывает, что дальнейшая оптимизация толщины абсорбера и инженерии интерфейса может существенно улучшить J_sc и общий КПД. Техники светозахвата на обеих поверхностях устройства также представляют перспективный путь для будущих приростов производительности.