在2D光伏器件中接近外量子效率极限
研究背景
近年来，2D TMDs由于具有优异的光电性质，包括强光-物质相互作用、宽带光吸收、本征钝化表面和柔性等，引起了广泛的研究兴趣。因此，2D TMDs有望用于超薄和高性能光伏器件，这对下一代太阳能电池的发展至关重要。到目前为止，已经报道了许多基于2D TMDs的光伏器件。然而，大多数2D光伏器件的外量子效率（EQE）和功率转换效率（PCE）面临超过50%和3%的巨大挑战，与理论极限存在较大差距。已经做出了一些努力来提高光伏效率。例如，提出了栅极调制来减少沟道中的俄歇复合，得到30%的EQE。据报道，单边耗尽会抑制界面复合，实现71%的EQE，并应用掺杂来增加开路电压(VOC)，导致PCE提高到1.55%。然而，性能的提升仍不尽如人意，这归因于金属-半导体接触不良和沟道耗尽不足，导致光生载流子分离和收集效率低下。一方面，不良的金属-半导体接触引入了中间能隙状态和费米能级钉扎，导致肖特基势垒高度严重偏离肖特基-莫特规则。有限的肖特基势垒导致载流子分离效率低。并且金属-半导体接触不良也会引起界面缺陷态，作为复合中心，导致光生载流子的严重复合损失，降低载流子收集效率。另一方面，沟道耗尽不足导致扩散过程中光生载流子复合损失，进一步降低了载流子收集效率。因此，2D光伏器件中固有的光生载流子传输行为受到抑制，导致实际光伏性能与理论极限之间存在较大差距。
成果介绍
有鉴于此，近日，华中科技大学周兴副教授等报道了基于2D WS2具有无缺陷界面和无复合沟道的光伏器件，显示出接近理论极限的92%的高EQE和5.0%的高PCE。高性能归因于没有界面缺陷和费米能级钉扎的范德华金属接触，以及没有光生载流子复合的完全耗尽沟道，导致本征光生载流子的高效分离和收集。此外，这项研究表明，该策略可以扩展到其他TMDs，例如MoSe2和WSe2，EQE分别为92%和94%。这项工作提出了一种构建高性能2D光伏器件的通用策略。接近理想的EQE为接近Shockley-Queisser极限的PCE提供了巨大的潜力。文章以“Approaching the External Quantum Efficiency Limit in 2D Photovoltaic Devices”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
