GaSe / MoSe2ヘテロ接合デバイスの光起電力特性

はじめに

二次元（2D）材料は、従来の材料科学の拡張ではないさまざまな独自の特性を持っていることがわかっています[1,2,3,4,5]。特に、太陽スペクトル領域での強い光吸収[6]、高い内部放射効率[7]、シングルおよびマルチの両方の調整可能なバンドギャップなどの顕著な物理的特性により、オプトエレクトロニクス材料として注目されています。ジャンクション太陽電池[8]。一部の太陽電池は、面内および面外のヘテロ接合を形成することにより、2D材料で作られています。前者は、異なるタイプの2D材料を連続的に成長させることにより、非常にクリーンなヘテロ接合界面を形成できるという特徴があります[9、10]。一方、後者の場合、ヘテロ接合面積を大きくすることができ、複数の接合を積み重ねてタンデム太陽電池を製造できるため、GaSe / MoSe ₂ の太陽電池特性 この研究では、垂直ヘテロ接合デバイスを評価しました。

セレン化ガリウムは、光検出器や非線形光学の光学材料として長い間期待されてきましたが、単結晶の合成が難しいため、限られた状況でしか実用化されていません[11、12、13]。しかし、最近の二次元材料科学の進歩により、この層状光学材料が再び注目を集めています[14、15、16、17、18、19、20、21]。 MoSe ₂ は典型的な遷移金属ジカルコゲナイドであり、これらの化合物のMoイオンは6つのSe ^2- に囲まれています。 イオン。 Moの配位構造は、八面体および三角柱形として見られます。単層MoSe ₂ 約1.6eVの直接バンドギャップを持つ半導体特性を示し、数百のオーダーの比較的高いキャリア移動度を持っています[22]。したがって、MoSe ₂ オプトエレクトロニクスとしてだけでなく、トランジスタの活性領域材料としても注目されています[23、24]。

これらの2D材料ヘテロ接合は、単一およびタンデム接合の非常に高い理論的変換効率が高い外部放射効率のおかげで実証されていることをすでに説明した特性により、太陽電池材料として高い可能性を秘めています[8]が、これまでに報告された変換効率は不十分な材料とインターフェースの品質とデバイス設計[25,26,27]。さらに、2D材料の面外ヘテロ構造、特に太陽電池で重要なキャリア分離プロセスのデバイス物理学については、まだ多くの不明確な点があります。

この論文では、GaSe / MoSe ₂ の電流-電圧特性 機械的剥離法によって製造されたヘテロ接合デバイスは、ソーラーシミュレーターを使用して、暗条件および光照射下で測定された。照射光強度を0.5から1.5太陽に変更しました。この照度範囲で照度を上げると、短絡電流と開回路電圧の両方が上がることがわかりました。開回路電圧とエネルギー変換効率は、1.5太陽条件下でそれぞれ0.41 Vと0.46％でした。

メソッド

300 nmの熱酸化二酸化ケイ素（SiO ₂ ）で覆われたp型シリコン基板上に電子ビーム蒸着によって堆積された50 nmの厚さのチタン（Ti）電極を使用して4端子デバイスを製造しました。 ）。天然のGaSeとMoSeのフレークを転送しました ₂ （HQグラフェン）は、以前のレポート[23]に記載されているように、機械的剥離によるポリジメチルシロキサン（PDMS、Dow Toray）を使用してTi電極上に順次配置します。最後に、Ti / GaSe / MoSe ₂ ヘテロ接合デバイスは、窒素ガス雰囲気下で400°Cで2時間アニーリングされました。数十マイクロメートル四方の領域の透過率と反射率のスペクトルは、広帯域カセグレン対物レンズを備えたマイクロUV-Vis分光計（JASCO MSV-5300）によってガラス基板に転写されたフレークを使用して取得されました。各サンプルフレークの厚さは、原子間力顕微鏡（AFM）画像（HITACHI Nano Navi Real）のラインプロファイルから決定されました。マイクロPLおよびラマン測定は、25°Cで100倍の顕微鏡対物レンズに接続された532nmで発光する連続波励起レーザーを使用して実施されました。ラマン測定とPL測定の励起光強度はそれぞれ1.5と0.3mWでした。太陽電池の性能は、25°Cのサンプル温度で、0.5太陽から1.5太陽の間で強度が変化するソーラーシミュレーターを使用して測定されました。スペクトル応答は、単色光源とピコ電流計を組み合わせて評価しました。光学顕微鏡画像から、ヘテロ接合領域が太陽電池の活性領域として決定されました。

結果と考察

図1aは、透過率（ T ）を示しています。 ）と反射率（ R ）ガラス基板上のGaSeフレークのスペクトル。赤と青の実線は、それぞれ200〜1600nmの範囲で測定された透過率と反射率のスペクトルを示しています。吸光度スペクトル（ A ）黒の実線で表されているのは、次の関係で計算されています。

a 透過率、反射率、吸光度スペクトル、および b GaSeフレークの吸収係数。挿入図：GaSeフレークの光学顕微鏡画像

吸収係数は、図1bに示すように次の式で計算しました。

ここで d はサンプルの厚さであり、AFM測定により638±29nmと推定されました。 GaSeの吸収係数は、バンドギャップに対応する約2eVから徐々に増加しました。価電子帯の最大値はΓ点に存在し、Γ点の伝導帯の底はM点の伝導帯の最小値よりわずか数十meV高いため、GaSeは準直接バンドギャップと見なされます[12]。直接励起子は、直接および間接のバンド間遷移に非常に近いエネルギーのΓ点にあることも知られています[12、19]。図1bの挿入図は、測定用のGaSeフレークの光学顕微鏡（OM）画像を示しています。 OM画像の中央の円は測定領域を示します。一方、図2はMoSe ₂ の光学特性を示しています。 ガラス基板上に転写された99±3nmの厚さのフレーク。 MoSe ₂ の吸収係数 GaSeよりも1桁以上高い値を示しました。 1.5 eVからの急激な増加と2つの励起子指向のピークは、以前のレポートと互換性がありました[28、29]。

a 透過率、反射率、吸光度スペクトル、および b MoSe ₂ の吸収係数 フレーク。挿入図：MoSe ₂ の光学顕微鏡画像 フレーク

次に、これらの二次元材料の結晶化度とさらなる光学特性をラマンとPLによって調査しました。ラマンおよびPLスペクトルは、製造されたGaSe / MoSe ₂ を使用して測定されました。 ヘテロ接合デバイス。ラマンピークは133、214、および309 cm ^-1 図3aに示すように観察された。ラマンピークは133および309cm ^-1 A ¹ の平面振動モードを示します _1g （133 cm ^-1 ）およびA ² _1g （309 cm ^-1 ）、 それぞれ。 214 cm ^-1 のもう1つのピーク 面外モードでのセレン化物の振動、いわゆるE ¹ _2g [15、17]。これらの明確な結晶振動は、転写されたGaSeフレークの高い結晶化度を示しています。図3bは、25°CでSi基板上のGaSeフレークから得られたPLスペクトルを示しています。 PLのピークは、直接バンドギャップと間接バンドギャップにそれぞれ対応する626nmと655nm付近です。間接バンドギャップは、GaSeの直接バンドギャップよりもわずか25 meV低く設定されます[18、19]。 MoSe ₂ のラマンスペクトル Si基板上に転写されたものは、236および243 cm ^-1 付近に2つの明らかなピークを示しました。 、A _1g に対応します 図4aに示すようなモード。ラマンスペクトルと発光スペクトル（図4b）は、転送されたMoSe ₂ の品質が高いことを示しています。 Si基板上のフレーク。

a ラマンと b GaSeフレークのPLスペクトル

a ラマンと b MoSe ₂ のPLスペクトル フレーク

図5aは、作製したGaSe / MoSe ₂ の光学顕微鏡画像を示しています。 Ti電極と接触するヘテロ接合デバイス。 GaSeフレークは、左電極と下電極、およびMoSe ₂ と接触します。 フレークは、それぞれ右電極と上部電極に接触します。太陽電池の活性領域として定義されるヘテロ接合領域は、490μm ² と推定されました。 この画像から。太陽電池の性能は、シミュレートされた太陽光の下で下部電極と上部電極を使用して測定されました。これらのGaSeとMoSe ₂ の厚さ フレークは、AFM測定によってそれぞれ118nmと79nmと推定されました。これらの膜厚は両方とも120〜130層に対応します。 GaSe / MoSe ₂ の概略画像とバンド図 ヘテロ接合デバイスをそれぞれ図5b、cに示しました。

a 光学顕微鏡画像、 b 概略画像、および c 製造されたGaSe / MoSe ₂ のバンド図 ヘテロ接合デバイス

作製したGaSe / MoSe ₂ の電流-電圧特性 0.5〜1.5太陽光条件下でのヘテロ接合デバイスを図6aに示します。このヘテロ接合デバイスが整流効果と光起電力効果を示すことは明らかであり、 I – V 図6aの光照射強度により曲線が変化します。図6bは、短絡電流（ I ）の光照射強度依存性の要約を示しています。 _sc ）および開回路電圧（ V _oc ）。 私 _sc この範囲の光照射強度で直線的に増加します。一方、 V _oc 光照射強度に対して対数的に増加します。次の関係式が理想ダイオードに当てはまるため、フィッティングにより理想係数は1.11と推定されました。

ここで n 理想的な要素、 k _B はボルツマン定数、 T はデバイスの温度、 q は基本的な電荷の単位であるため、室温で\（\ frac {{k _ {{\ text {B}}} T}} {q} \ approx \）0.0258Vになります。 私 _L および私 _暗い それぞれ光電流と暗電流です。 1に近い理想的な係数は、このGaSe / MoSe ₂ 構造は、励起子を解離するのに十分な内部電場が存在する理想的なヘテロ接合を形成します。短絡電流密度（ J _sc ）は3.11 mA / cm ² と計算されました 光学画像によって定義されたアクティブエリアから。フィルファクター（ FF ）および変換効率（η ）は、1つの太陽の条件下でそれぞれ0.44％と0.54％と推定されました。 FF 以降 1日以上照射すると直列抵抗の影響で減少η J は、1日照射した場合とほぼ同じでした。 _sc および V _oc 。増加しました。 FF を改善するために 、電極までの距離を短くするなど、デバイス構成を改善する必要があります。

a 私 – V 特性と b GaSe / MoSe ₂ の光照射強度依存性 ヘテロ接合太陽電池の性能

次に、GaSe / MoSe ₂ の外部量子効率を推定しました。 光学シミュレータ（e-ARC）を使用したヘテロ接合[29]。計算は、GaSeとMoSe ₂ が完全にフラットな構造で行われました。 製造されたデバイスと同じ膜厚で、平らなSi基板上にラミネートされました。 GaSeとMoSe ₂ の光学定数 報告された値を参照しました[30、31]。材料界面とバルク領域での再結合によって引き起こされるキャリア損失は完全に組み込まれています。シミュレートされた吸光度スペクトルを図7に示します。緑色の領域は、GaSe / MoSe ₂ の吸収領域を示しています。 青い破線で示されたGaSeの吸収とMoSe ₂ の吸収の合計であるヘテロ接合 赤い破線で示されています。黄色の領域はSi基板によって透過および吸収され、他の領域は反射成分を示します。最大の J _sc 300〜950 nmの波長範囲で、19.29 mA / cm ² と推定されました。 生成された光キャリアが製造されたデバイスから完全に収集できるかどうか。シミュレーション結果では、 J _sc 増加し、23 mA / cm ² GaSe膜厚が約60nmのときに得られた。計算された電流値と実験値の間の大きな解離は、製造されたデバイスの不十分な組み込み電位が原因である可能性があります。この仮説が正しければ、吸収層の膜厚を最適化し、接触材料の仕事関数を最適化することで、 J を大幅に改善できます。 _sc 。さらに、このシミュレーション結果は反射成分も大きいことを示しており、GaSe / MoSe ₂ の入射面側と裏面側の光閉じ込め効果と言えます。 ヘテロ接合太陽電池も将来的に重要な問題です。表面プラズモン技術は、2次元の材料ベースの太陽電池への光の閉じ込めに非常に効果的であると考えられています[32]。

GaSe / MoSe ₂ のシミュレートされた吸光度スペクトル ヘテロ接合

結論

結論として、GaSe / MoSe ₂ を作成しました 機械的剥離法によるヘテロ接合デバイスと光起電力性能の分析。 MoSe ₂ の透過率と反射率のスペクトルから得られる吸収係数 GaSeよりも1桁以上高い値を示しました。 GaSeおよびMoSe ₂ のラマンおよび発光スペクトル デバイス製造後も高い結晶化度が維持されていることを示しています。光強度が0.5から1.5太陽に増加すると、短絡電流と開回路電圧の両方が増加しました。開回路電圧とエネルギー変換効率は、1.5太陽条件下でそれぞれ0.41 Vと0.46％でした。最大の J _sc 300〜950 nmの波長範囲で、19.29 mA / cm ² と推定されました。 生成された光キャリアが、光学シミュレーション研究から製造されたデバイスから完全に収集できるかどうか。吸収層の膜厚を最適化し、接触材料の仕事関数を最適化すると、 J を大幅に改善できます。 _sc 。さらに、GaSe / MoSe ₂ の入射面側と裏面側の光閉じ込め効果 ヘテロ接合太陽電池も将来的に重要な問題です。

データと資料の可用性

この記事の結論を裏付けるデータセットは、記事に含まれています。

略語

2Dマテリアル：

二次元素材

AFM：

原子間力顕微鏡

OM：

光学顕微鏡

I _sc ：

短絡電流

V _oc ：

開回路電圧

J _sc ：

短絡電流密度

FF ：

フィルファクター