二維材料促進載流子倍增

基礎科學研究所(韓國IBS)的集成納米結構物理中心(CINAP)的物理學家發(fā)現(xiàn)了一種引人注目的現(xiàn)象，即載流子增殖(CM)，它是一類具有令人難以置信的薄型，優(yōu)異性能的半導體，以及在電子和光學方面的可能應用。這些新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》上，具有促進光伏和光電探測器領域發(fā)展的潛力，并將這些超薄材料生產(chǎn)的太陽能電池的效率提高了46%。

有趣的一類2-D材料，范德華層狀過渡金屬二硫化碳(2-D TMD)，有望產(chǎn)生下一代光電器件，例如太陽能電池，晶體管，發(fā)光二極管(LED)，它們由被非常弱的化學鍵(范德華鍵)隔開的各個薄層組成，并具有獨特的光學特性，高吸光率和高載流子(電子和空穴)遷移率。除了允許通過改變組成和層厚度來調整其帶隙以外，這些材料還提供了大于99%的超高內部輻射效率，這是由于消除了表面缺陷和載體之間的大結合能所推動的。

在半導體二維TMD單層中，太陽光的吸收通常達到5-10%，這比大多數(shù)常見的光伏材料(如硅，碲化鎘和砷化鎵)大一個數(shù)量級。盡管具有這些理想特性，但是由于金屬電極的損耗，2-D-TMD太陽能電池的最大功率轉換效率仍保持在5%以下。IBS團隊與阿姆斯特丹大學的研究人員合作，旨在通過探索這些材料中的CM工藝來克服這一缺陷。

CM是將光轉換為電的非常有效的方法。一個光子通常會激發(fā)一個電子，并留下一個“空空間”(空穴)。但是，如果入射光的能量足夠大，更具體地說，如果光子能量是材料的帶隙能量的兩倍，則可能在特定的半導體中生成兩個或多個電子-空穴對。盡管CM現(xiàn)象在體半導體中效率不高，但人們預計它在二維材料中非常有效，但是由于某些技術限制，例如正確的二維TMD合成和超快速光學測量，尚未得到實驗證明。在這項研究中，研究小組觀察了二維TMD中的CM，即2H-MoTe 2和2H-WSe 2電影，這是第一次;這項發(fā)現(xiàn)有望提高二維TMD太陽能電池的電流效率，甚至超出了Shockley-Queisser限制的33.7%。

“我們的新結果有助于對2-D-TMD中的CM現(xiàn)象有基本的了解。如果克服了接觸損耗并成功開發(fā)出帶有CM的光伏產(chǎn)品，則其最大功率轉換效率可以提高到46%，” Young說。 CINAP總監(jiān)李熙(Hee Lee)。“這項新的納米材料工程為新一代高效，耐用和靈活的太陽能電池提供了可能性。”

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