Caractéristiques photovoltaïques des dispositifs à hétérojonction GaSe/MoSe2

Introduction

Les matériaux bidimensionnels (2D) se sont avérés avoir diverses caractéristiques uniques qui ne sont pas une extension de la science des matériaux conventionnelle [1,2,3,4,5]. En particulier, ils attirent l'attention en tant que matériaux optoélectroniques en raison de propriétés physiques notables telles que leur forte absorption optique dans la région du spectre solaire [6], leurs rendements radiatifs internes élevés [7] et leurs bandes interdites accordables pour les mono et multi-. cellules solaires à jonction [8]. Certaines cellules solaires sont constituées de matériaux 2D en formant des hétérojonctions dans le plan et hors du plan. Le premier est caractérisé en ce qu'une interface d'hétérojonction très propre peut être formée en faisant croître en continu différents types de matériaux 2D [9, 10]. D'autre part, dans ce dernier cas, puisque la zone d'hétérojonction peut être augmentée et que les cellules solaires en tandem peuvent être fabriquées en empilant plusieurs jonctions, les caractéristiques des cellules solaires du GaSe/MoSe₂ dispositif d'hétérojonction verticale ont été évalués dans cette étude.

Le séléniure de gallium a longtemps été attendu comme matériau optique pour les photodétecteurs et l'optique non linéaire, mais son application pratique n'a été promue que dans des situations limitées en raison de la difficulté de synthétiser des monocristaux [11,12,13]. Cependant, en raison des récents progrès de la science des matériaux bidimensionnels, ce matériau optique en couches a de nouveau attiré l'attention [14,15,16,17,18,19,20,21]. MoSe₂ est un dichalcogénure de métal de transition typique, l'ion Mo dans ces composés est entouré de six Se ²⁻ ions. La géométrie de coordination du Mo se présente sous la forme d'un prismatique octaédrique et trigonal. MoSe monocouche₂ présente des propriétés semi-conductrices avec une bande interdite directe d'environ 1,6 eV et une mobilité des porteurs relativement élevée de l'ordre de centaines [22]. Par conséquent, MoSe₂ attire l'attention non seulement en tant qu'optoélectronique, mais aussi en tant que matériau de région active pour les transistors [23, 24].

Ces hétérojonctions de matériaux 2D ont un potentiel élevé en tant que matériaux de cellules solaires en raison des propriétés déjà décrites selon lesquelles des rendements de conversion théoriques très élevés pour les jonctions simples et en tandem ont été démontrés grâce à un rendement radiatif externe élevé [8], mais les rendements de conversion rapportés jusqu'à présent sont dus à une qualité inadéquate du matériel et de l'interface et à la conception de l'appareil [25,26,27]. En outre, il existe encore de nombreux points obscurs concernant la physique des dispositifs dans l'hétérostructure hors plan des matériaux 2D, en particulier le processus de séparation des porteurs, qui est important dans les cellules solaires.

Dans cet article, les caractéristiques courant-tension du GaSe/MoSe₂ dispositif d'hétérojonction fabriqué par une méthode de pelage mécanique ont été mesurés dans un état sombre et sous irradiation lumineuse à l'aide d'un simulateur solaire. L'intensité lumineuse d'irradiation a été modifiée de 0,5 à 1,5 soleil. Il a été constaté que lorsque l'éclairement était augmenté dans cette plage d'éclairement, à la fois le courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert augmentaient. La tension en circuit ouvert et l'efficacité de conversion d'énergie étaient respectivement de 0,41 V et 0,46 % sous 1,5 état d'ensoleillement.

Méthodes

Nous avons fabriqué des dispositifs à quatre bornes en utilisant des électrodes de titane (Ti) de 50 nm d'épaisseur déposées par évaporation par faisceau d'électrons sur des substrats de silicium de type p recouverts de 300 nm de dioxyde de silicium oxydé thermiquement (SiO₂ ). Nous avons transféré des paillettes de GaSe naturel et MoSe₂ (graphène HQ) sur les électrodes de Ti en utilisant séquentiellement du polydiméthylsiloxane (PDMS, Dow Toray) par exfoliation mécanique comme décrit dans le rapport précédent [23]. Enfin, le Ti/GaSe/MoSe₂ dispositif à hétérojonction a été recuit à 400 °C sous atmosphère d'azote gazeux pendant deux heures. Les spectres de transmittance et de réflectance dans des zones de quelques dizaines de micromètres carrés ont été obtenus en utilisant des paillettes transférées sur des substrats de verre par un spectromètre micro-UV-Vis avec une lentille d'objectifs cassegrain à large bande (JASCO MSV-5300). L'épaisseur de chaque échantillon de flocons a été déterminée à partir du profil de ligne d'images de microscopie à force atomique (AFM) (HITACHI Nano Navi Real). Les mesures micro-PL et Raman ont été réalisées avec un laser d'excitation à onde continue émettant à 532 nm couplé à un objectif de microscope 100x à 25 °C. Les intensités lumineuses d'excitation pour les mesures Raman et PL étaient respectivement de 1,5 et 0,3 mW. Les performances des cellules solaires ont été mesurées à une température d'échantillon de 25 °C à l'aide d'un simulateur solaire avec une intensité variable entre 0,5 soleil et 1,5 soleil. La réponse spectrale a été évaluée en combinant une source lumineuse monochromatique et un pico-ampèremètre. À partir de l'image microscopique optique, la région d'hétérojonction a été déterminée comme la zone active des cellules solaires.

Résultats et discussion

La figure 1a montre la transmittance (T ) et la réflectance (R ) spectres de paillettes de GaSe sur substrats de verre. Les lignes rouges et bleues continues montrent les spectres de transmittance et de réflectance mesurés dans la plage de 200 à 1600 nm, respectivement. Le spectre d'absorbance (A ) représenté par une ligne noire pleine a été calculé par la relation suivante ;

un Transmittance, réflectance, spectres d'absorbance et b coefficient d'absorption des paillettes de GaSe. En médaillon :image au microscope optique d'un éclat de GaSe

Le coefficient d'absorption a été calculé en suivant l'équation comme indiqué sur la figure 1b.

où d est l'épaisseur de l'échantillon, qui a été estimée à 638 ± 29 nm par mesure AFM. Le coefficient d'absorption du GaSe a progressivement augmenté d'environ 2 eV correspondant à la bande interdite. Étant donné que le maximum de la bande de valence existe au point Γ et que le bas de la bande de conduction au point n'est que de quelques dizaines de meV au-dessus du minimum de la bande de conduction au point M, GaSe est considéré comme une bande interdite quasi directe [12]. Les excitons directs sont également connus pour être au point Γ d'énergie très proche des transitions interbandes directes et indirectes [12, 19]. L'encart de la figure 1b montre l'image au microscope optique (OM) d'un flocon de GaSe pour la mesure. Le cercle centré dans l'image OM indique la zone de mesure. D'autre part, la figure 2 montre les propriétés optiques du MoSe₂ paillettes d'une épaisseur de 99 ± 3 nm transférées sur des substrats de verre. Le coefficient d'absorption du MoSe₂ présentait plus d'un ordre de grandeur supérieur à celui du GaSe. La forte augmentation de 1,5 eV et deux pics orientés excitons étaient compatibles avec les rapports précédents [28, 29].

un Transmittance, réflectance, spectres d'absorbance et b coefficient d'absorption du MoSe₂ flocon. Encart :image au microscope optique de MoSe₂ flocon

Ensuite, la cristallinité et d'autres propriétés optiques de ces matériaux bidimensionnels ont été étudiées par Raman et PL. Les spectres Raman et PL ont été mesurés à l'aide de GaSe/MoSe₂ fabriqué dispositifs à hétérojonction. Le Raman culmine à 133, 214 et 309 cm ⁻¹ ont été observés comme le montre la figure 3a. Le Raman culmine à 133 et 309 cm ⁻¹ indiquer les modes vibrationnels planaires de A ¹ _1g (133 cm ⁻¹ ) et A ² _1g (309 cm ⁻¹ ), respectivement. L'autre pic à 214 cm ⁻¹ provient de la vibration des séléniures dans le mode hors plan dit E ¹ _2g [15, 17]. Ces vibrations cristallines claires indiquent une cristallinité élevée des paillettes de GaSe transférées. La figure 3b montre le spectre PL obtenu à partir de paillettes de GaSe sur substrat Si à 25 °C. Le PL culmine autour de 626 et 655 nm correspondant respectivement aux bandes interdites directes et indirectes. La bande interdite indirecte n'est inférieure qu'à 25 meV à la bande interdite directe dans GaSe [18, 19]. Les spectres Raman de MoSe₂ transférés sur des substrats de Si ont indiqué deux pics évidents à environ 236 et 243 cm ⁻¹ , qui correspondent à A_1g comme le montre la figure 4a. Les spectres Raman et de luminescence (Fig. 4b) indiquent une haute qualité du MoSe₂ transféré flocons sur substrats Si.

un Raman et b Spectres PL des flocons de GaSe

un Raman et b Spectres PL de MoSe₂ flocon

La figure 5a montre l'image microscopique optique du GaSe/MoSe₂ fabriqué dispositif à hétérojonction mis en contact avec des électrodes en Ti. Le flocon de GaSe est mis en contact avec les électrodes gauche et inférieure, et le MoSe₂ le flocon est mis en contact avec les électrodes droite et supérieure, respectivement. La région d'hétérojonction définie comme la zone active des cellules solaires a été estimée à 490 m ² à partir de cette image. Les performances des cellules solaires ont été mesurées à l'aide d'électrodes inférieures et supérieures sous une lumière solaire simulée. L'épaisseur de ces GaSe et MoSe₂ les flocons ont été estimés à 118 et 79 nm par mesure AFM, respectivement. Ces deux épaisseurs de film correspondent à 120-130 couches. Image schématique et diagramme de bande de GaSe/MoSe₂ dispositif d'hétérojonction ont été illustrés dans les Fig. 5b, c, respectivement.

un Image microscopique optique, b image schématique, et c diagramme de bande du GaSe/MoSe₂ fabriqué dispositif à hétérojonction

Les caractéristiques courant-tension du GaSe/MoSe₂ fabriqué dispositif d'hétérojonction sous des conditions de lumière solaire de 0,5 à 1,5 sont illustrés à la Fig. 6a. Il est clair que ce dispositif à hétérojonction présente un effet de redressement et photovoltaïque, et on peut également voir que le I –V la courbe change en fonction de l'intensité d'irradiation lumineuse de la figure 6a. La figure 6b montre un résumé de la dépendance de l'intensité d'irradiation lumineuse du courant de court-circuit (I _sc ) et la tension à vide (V _oc ). Je _sc augmente linéairement avec l'intensité d'irradiation lumineuse dans cette plage. Par contre, on peut voir que V _oc augmente de manière logarithmique par rapport à l'intensité d'irradiation lumineuse. Étant donné que l'expression relationnelle suivante est valable pour une diode idéale, le facteur idéal a été estimé à 1,11 par ajustement.

où n est le facteur d'idéalité, k _B est la constante de Boltzmann, T est la température de l'appareil, q est l'unité fondamentale de charge, de sorte que \(\frac{{k_{{\text{B}}} T}}{q} \approx\) 0,0258 V à température ambiante. Le Je _L et Je _sombre sont respectivement le photo- et le courant d'obscurité. Un facteur idéal proche de 1 indique que ce GaSe/MoSe₂ La structure forme une hétérojonction idéale dans laquelle un champ électrique interne suffisant pour dissocier les excitons est présent. La densité de courant de court-circuit (J _sc ) a été calculé comme étant de 3,11 mA/cm ² de la zone active définie par l'image optique. Le facteur de remplissage (FF ) et l'efficacité de conversion (η ) ont été estimées à 0,44 et 0,54 % sous 1 condition d'ensoleillement, respectivement. Depuis le FF diminué en raison de l'influence de la résistance série lors de l'irradiation pendant 1 soleil ou plus, le η était presque le même que lors de l'irradiation pendant 1 soleil, bien que le J _sc et le V _oc .augmenté. Afin d'améliorer FF , il est nécessaire d'améliorer la configuration de l'appareil en raccourcissant par exemple la distance à l'électrode.

un Je –V caractéristiques et b dépendance à l'intensité de l'irradiation lumineuse de GaSe/MoSe₂ performances des cellules solaires à hétérojonction

Ensuite, nous avons estimé l'efficacité quantique externe du GaSe/MoSe₂ hétérojonction en utilisant un simulateur optique (e-ARC) [29]. Les calculs ont été faits avec une structure complètement plate dans laquelle GaSe et MoSe₂ avec la même épaisseur de film que le dispositif fabriqué ont été stratifiés sur un substrat de Si plat. Les constantes optiques du GaSe et du MoSe₂ ont été référés aux valeurs rapportées [30, 31]. La perte de porteur induite par la recombinaison à l'interface du matériau et les régions en vrac sont entièrement intégrées. Les spectres d'absorbance simulés sont illustrés à la Fig. 7. La région de couleur verte montre la région d'absorption du GaSe/MoSe₂ l'hétérojonction, qui est la somme de l'absorption de GaSe indiquée par la ligne pointillée bleue et de l'absorption de MoSe₂ indiqué par la ligne pointillée rouge. La région jaune est transmise et absorbée par le substrat Si, et les autres régions présentent des composantes de réflexion. Le J maximum _sc sur la plage de longueurs d'onde de 300 à 950 nm a été estimée à 19,29 mA/cm ² si les photoporteurs générés pouvaient être complètement collectés à partir du dispositif fabriqué. Nos résultats de simulation ont prédit que le J _sc augmenterait, et 23 mA/cm ² pourrait être obtenu lorsque l'épaisseur du film de GaSe était d'environ 60 nm. La grande dissociation entre la valeur de courant calculée et la valeur expérimentale peut être due à un potentiel intégré insuffisant dans le dispositif fabriqué. Si cette hypothèse est correcte, l'optimisation de l'épaisseur du film de la couche absorbante et l'optimisation du travail de sortie du matériau de contact pourraient améliorer considérablement le J _sc . De plus, puisque ce résultat de simulation montre que la composante de réflexion est également importante, on peut dire que l'effet de confinement de la lumière du côté de la surface incidente et du côté de la surface arrière du GaSe/MoSe₂ La cellule solaire à hétérojonction est également un enjeu important à l'avenir. La technologie des plasmons de surface est considérée comme très efficace pour le confinement de la lumière dans les cellules solaires bidimensionnelles à base de matériaux [32].

Les spectres d'absorbance simulés de GaSe/MoSe₂ hétérojonction

Conclusions

En conclusion, nous avons fabriqué le GaSe/MoSe₂ dispositifs à hétérojonction par une méthode de pelage mécanique et analysé les performances photovoltaïques. Le coefficient d'absorption obtenu à partir des spectres de transmission et de réflectance du MoSe₂ présentait plus d'un ordre de grandeur supérieur à celui du GaSe. Les spectres Raman et de luminescence de GaSe et MoSe₂ a indiqué qu'une cristallinité élevée était maintenue après la fabrication du dispositif. Le courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert augmentent lorsque l'intensité lumineuse passe de 0,5 à 1,5 soleil. La tension en circuit ouvert et l'efficacité de conversion d'énergie étaient respectivement de 0,41 V et 0,46 % sous 1,5 conditions de soleil. Le J maximum _sc sur la plage de longueurs d'onde de 300 à 950 nm a été estimée à 19,29 mA/cm ² si les photoporteurs générés pouvaient être complètement collectés à partir d'un dispositif fabriqué à partir d'une étude de simulation optique. L'optimisation de l'épaisseur du film de la couche absorbante et l'optimisation du travail de sortie du matériau de contact pourraient améliorer considérablement le J _sc . De plus, l'effet de confinement de la lumière côté surface incidente et côté surface arrière du GaSe/MoSe₂ La cellule solaire à hétérojonction est également un enjeu important à l'avenir.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

Matériaux 2D :

Matériaux bidimensionnels

AFM :

Microscopie à force atomique

OM :

Microscope optique

Je _sc :

Courant de court-circuit

V _oc :

Tension en circuit ouvert

J _sc :

Densité de courant de court-circuit

FF :

Facteur de remplissage