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二维材料促进载流子倍增

基础科学研究所(韩国IBS)的集成纳米结构物理中心(CINAP)的物理学家发现了一种引人注目的现象,即载流子增殖(CM),它是一类具有令人难以置信的薄型,优异性能的半导体,以及在电子和光学方面的可能应用。这些新发现发表在《自然通讯》上,具有促进光伏和光电探测器领域发展的潜力,并将这些超薄材料生产的太阳能电池的效率提高了46%。

二维材料促进载流子倍增

有趣的一类2-D材料,范德华层状过渡金属二硫化碳(2-D TMD),有望产生下一代光电器件,例如太阳能电池,晶体管,发光二极管(LED),它们由被非常弱的化学键(范德华键)隔开的各个薄层组成,并具有独特的光学特性,高吸光率和高载流子(电子和空穴)迁移率。除了允许通过改变组成和层厚度来调整其带隙以外,这些材料还提供了大于99%的超高内部辐射效率,这是由于消除了表面缺陷和载体之间的大结合能所推动的。

在半导体二维TMD单层中,太阳光的吸收通常达到5-10%,这比大多数常见的光伏材料(如硅,碲化镉和砷化镓)大一个数量级。尽管具有这些理想特性,但是由于金属电极的损耗,2-D-TMD太阳能电池的最大功率转换效率仍保持在5%以下。IBS团队与阿姆斯特丹大学的研究人员合作,旨在通过探索这些材料中的CM工艺来克服这一缺陷。

CM是将光转换为电的非常有效的方法。一个光子通常会激发一个电子,并留下一个“空空间”(空穴)。但是,如果入射光的能量足够大,更具体地说,如果光子能量是材料的带隙能量的两倍,则可能在特定的半导体中生成两个或多个电子-空穴对。尽管CM现象在体半导体中效率不高,但人们预计它在二维材料中非常有效,但是由于某些技术限制,例如正确的二维TMD合成和超快速光学测量,尚未得到实验证明。在这项研究中,研究小组观察了二维TMD中的CM,即2H-MoTe 2和2H-WSe 2电影,这是第一次;这项发现有望提高二维TMD太阳能电池的电流效率,甚至超出了Shockley-Queisser限制的33.7%。

“我们的新结果有助于对2-D-TMD中的CM现象有基本的了解。如果克服了接触损耗并成功开发出带有CM的光伏产品,则其最大功率转换效率可以提高到46%,” Young说。 CINAP总监李熙(Hee Lee)。“这项新的纳米材料工程为新一代高效,耐用和灵活的太阳能电池提供了可能性。”

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