在2D光伏器件中接近外量子效率極限
研究背景
近年來，2D TMDs由于具有優異的光電性質，包括強光-物質互相作用、寬帶光吸收、本征鈍化表面和柔性等，引起了廣泛的研究興趣。是以，2D TMDs有望用于超薄和高性能光伏器件，這對下一代太陽能電池的發展至關重要。到目前為止，已經報道了許多基于2D TMDs的光伏器件。然而，大多數2D光伏器件的外量子效率（EQE）和功率轉換效率（PCE）面臨超過50%和3%的巨大挑戰，與理論極限存在較大差距。已經做出了一些努力來提高光伏效率。例如，提出了栅極調制來減少溝道中的俄歇複合，得到30%的EQE。據報道，單邊耗盡會抑制界面複合，實作71%的EQE，并應用摻雜來增加開路電壓(VOC)，導緻PCE提高到1.55%。然而，性能的提升仍不盡如人意，這歸因于金屬-半導體接觸不良和溝道耗盡不足，導緻光生載流子分離和收集效率低下。一方面，不良的金屬-半導體接觸引入了中間能隙狀态和費米能級釘紮，導緻肖特基勢壘高度嚴重偏離肖特基-莫特規則。有限的肖特基勢壘導緻載流子分離效率低。并且金屬-半導體接觸不良也會引起界面缺陷态，作為複合中心，導緻光生載流子的嚴重複合損失，降低載流子收集效率。另一方面，溝道耗盡不足導緻擴散過程中光生載流子複合損失，進一步降低了載流子收集效率。是以，2D光伏器件中固有的光生載流子傳輸行為受到抑制，導緻實際光伏性能與理論極限之間存在較大差距。
成果介紹
有鑒于此，近日，華中科技大學周興副教授等報道了基于2D WS2具有無缺陷界面和無複合溝道的光伏器件，顯示出接近理論極限的92%的高EQE和5.0%的高PCE。高性能歸因于沒有界面缺陷和費米能級釘紮的範德華金屬接觸，以及沒有光生載流子複合的完全耗盡溝道，導緻本征光生載流子的高效分離和收集。此外，這項研究表明，該政策可以擴充到其他TMDs，例如MoSe2和WSe2，EQE分别為92%和94%。這項工作提出了一種建構高性能2D光伏器件的通用政策。接近理想的EQE為接近Shockley-Queisser極限的PCE提供了巨大的潛力。文章以“Approaching the External Quantum Efficiency Limit in 2D Photovoltaic Devices”為題發表在頂級期刊Advanced Materials上。
