Performance photovoltaïque des hétérojonctions verticales GaSe/MoSe₂ : Perspectives des semi-conducteurs 2D

Résumé

Les matériaux bidimensionnels (2D), avec leurs couches atomiquement minces, offrent un potentiel transformateur pour l'électronique et l'optoélectronique. Les monochalcogénures et dichalcogénures de métaux de transition – spécifiquement le sélénure de gallium (GaSe) et le disélénure de molybdène (MoSe₂) – présentent des gaps de bande intrinsèques et de fortes mobilités de porteurs même en monocouches, les rendant attractifs pour les dispositifs photovoltaïques flexibles. Ici, nous fabriquons une hétérojonction verticale GaSe/MoSe₂ en exfoliant et transférant mécaniquement des flocons naturels sur des électrodes en titane patternées sur des substrats Si/SiO₂. Le dispositif, comprenant ~118 nm de GaSe de type p et ~79 nm de MoSe₂ de type n, est testé dans l'obscurité et sous lumière solaire simulée variant de 0,5 à 1,5 soleil. Le courant de court-circuit (I_sc) et la tension à circuit ouvert (V_oc) augmentent tous deux avec l'intensité d'illumination, atteignant 0,41 V et 0,46 % d'efficacité à 1,5 soleil. Ces résultats confirment la viabilité des hétérojonctions 2D pour la technologie photovoltaïque de prochaine génération.

Introduction

Les matériaux bidimensionnels (2D) exhibent des propriétés optiques et électroniques uniques qui les distinguent de leurs homologues massiques. Leur forte absorption à travers le spectre solaire, leur haut rendement radiatif interne et leurs gaps de bande ajustables en font des candidats de choix pour les cellules solaires à jonction unique et tandem. Alors que les hétérostructures in-plane offrent des interfaces atomiquement nettes par croissance continue, les hétérojonctions hors-plan (verticales) permettent des zones actives plus grandes et des architectures empilables – une approche que nous exploitons avec un dispositif vertical GaSe/MoSe₂.

Le GaSe, longtemps recherché pour les photodétecteurs et l'optique non-linéaire, a historiquement été limité par les défis de croissance cristalline. Les avancées récentes en synthèse de matériaux 2D ont ravivé l'intérêt, révélant un gap de bande quasi-direct près de 2 eV et une forte absorption optique. Le MoSe₂, un dichalcogénure de métal de transition prototypique, affiche un gap de bande direct de ~1,6 eV en forme monocouche et des mobilités de porteurs dans la gamme des centaines de cm² V⁻¹ s⁻¹, le positionnant comme couche active optoélectronique et matériau de canal transistor.

Malgré les prédictions théoriques de hauts rendements de conversion pour les hétérojonctions 2D, les rapports expérimentaux sont en retard en raison de limitations de qualité des matériaux et interfaces. De plus, la dynamique de séparation des porteurs dans les empilements 2D verticaux reste mal comprise. Cette étude comble ces lacunes en mesurant les caractéristiques courant-tension (I-V) d'une hétérojonction GaSe/MoSe₂ sur une gamme d'intensités lumineuses, fournissant des insights sur la physique sous-jacente du dispositif.

Méthodes

Des électrodes Ti à quatre terminaux (50 nm) ont été déposées sur des plaquettes Si de type p avec 300 nm de SiO₂ thermiquement cultivé par évaporation par faisceau d'électrons. Des flocons naturels de GaSe et MoSe₂ ont été exfoliés mécaniquement sur PDMS et transférés séquentiellement sur les électrodes Ti, suivant des protocoles établis. La pile Ti/GaSe/MoSe₂ terminée a été recuite à 400 °C sous N₂ pendant deux heures pour améliorer le couplage inter-couches.

La caractérisation optique impliquait la microspectroscopie UV-Vis (JASCO MSV-5300) pour obtenir la transmittance (T) et la reflectance (R) sur 200–1600 nm. L'absorbance (A) était calculée comme A = 1 – T – R, et le coefficient d'absorption (α) dérivé via α = [ln(1 – R) – ln T]/d, où d est l'épaisseur du flocon mesurée par AFM (HITACHI Nano Navi). Les spectres Raman et de micro-photoluminescence (PL) étaient enregistrés avec un laser 532 nm (1,5 mW pour Raman, 0,3 mW pour PL) utilisant un objectif 100× à 25 °C.

La performance photovoltaïque était mesurée à 25 °C sous un simulateur solaire (0,5–1,5 soleil). La zone active – définie par microscopie optique – était d'environ 490 µm². La réponse spectrale était obtenue en combinant une source lumineuse monochromatique avec un pico-ampèremètre.

Résultats et Discussion

La Figure 1 montre la transmittance, la reflectance et l'absorbance dérivée d'un flocon de GaSe (~638 nm d'épaisseur). Le coefficient d'absorption augmente fortement près du gap de bande (~2 eV), confirmant sa nature quasi-directe. En contraste, la Figure 2 révèle qu'un flocon de MoSe₂ de ~99 nm exhibe un coefficient d'absorption dépassant celui du GaSe de plus d'un ordre de grandeur, avec des pics excitoniques prononcés à 1,5 eV.

Les spectres Raman du dispositif GaSe/MoSe₂ affichent des pics clairs à 133, 214 et 309 cm⁻¹, correspondant aux modes A_1g, E_1g et A_2g respectivement – preuve d'une haute cristallinité. La PL du GaSe montre des pics à 626 nm et 655 nm, représentant les gaps de bande direct et indirect, tandis que le Raman du MoSe₂ exhibe des pics A_1g à ~236 et 243 cm⁻¹, confirmant la qualité du matériau.

La Figure 5 illustre la disposition du dispositif : le GaSe contacte les électrodes Ti gauche et bas, le MoSe₂ contacte les électrodes droite et haut, avec une zone active de ~490 µm². L'AFM confirme des épaisseurs de flocons de 118 nm (GaSe) et 79 nm (MoSe₂), correspondant à ~120–130 couches.

Sous illumination, les courbes I-V (Figure 6a) démontrent une rectification claire et une réponse photovoltaïque. I_sc évolue linéairement avec l'intensité lumineuse, tandis que V_oc suit la relation diode idéale V_oc = (nk_BT/q) ln(I_L/I_dark + 1), donnant un facteur d'idéalité n ≈ 1,11 – indicatif d'une hétérojonction efficace avec un fort champ électrique interne. À 1 soleil, J_sc est de 3,11 mA cm⁻², facteur de remplissage 0,44 et efficacité 0,54 %. Bien que la résistance en série limite le facteur de remplissage aux irradiations plus élevées, la performance globale reste comparable.

Les simulations optiques (e-ARC) prédisent un J_sc maximal de 19,29 mA cm⁻² sur 300–950 nm si tous les porteurs générés sont collectés. La discrépance entre courants simulés et expérimentaux suggère un potentiel built-in sous-optimal et met en lumière des opportunités d'optimiser l'épaisseur des absorbeurs, les fonctions de travail des contacts et les stratégies de piégeage de lumière – telles que l'amélioration plasmonique – pour booster l'efficacité.

Conclusions

Nous avons fabriqué et caractérisé avec succès une hétérojonction verticale GaSe/MoSe₂ par pelage mécanique. Le MoSe₂ exhibe un coefficient d'absorption nettement plus élevé que le GaSe, et les deux matériaux conservent une haute cristallinité après assemblage du dispositif. L'augmentation de l'illumination de 0,5 à 1,5 soleil élève à la fois I_sc et V_oc, atteignant 0,41 V de V_oc et 0,46 % d'efficacité à 1,5 soleil. La modélisation optique indique qu'une optimisation supplémentaire de l'épaisseur des absorbeurs et de l'ingénierie d'interface pourrait substantiellement améliorer J_sc et l'efficacité globale. Les techniques de piégeage de lumière sur les deux surfaces du dispositif présentent aussi une voie prometteuse pour de futurs gains de performance.