[論文レビュー] Cataloguing MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$ van der Waals Heterostructures: An Exceptional Material Platform for Excitonic Solar Cell Applications

Che Chen Tho, Chenjiang Yu+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2022

2D Materials and Applications被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、MoSi₂N₄およびWSi₂N₄のファンデルワールスヘテロ構造（vdWH）が、超薄型顕著性太陽電池の非常に有望なプラットフォームであると提案している。第一原理計算を用いて、MoSi₂N₄/InSe や MoSi₂N₄/WSe₂ といったタイプ-IIヘテロ構造が20%を超える変換効率を達成することが判明し、理論的上限に近い可視光および紫外光吸収を示しており、従来のシリコン太陽電池と競合可能な代替手段として位置づけられている。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials van der Waals heterostructures (vdWHs) provides a revolutionary route towards high-performance solar energy conversion devices beyond the conventional silicon-based pn junction solar cells. Despite tremendous research progress accomplished in recent years, the searches of vdWHs with exceptional excitonic solar cell conversion efficiency and optical properties remain an open theoretical and experimental quest. Here we show that the vdWH family composed of MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$ monolayers provides a compelling material platform for developing high-performance ultrathin excitonic solar cells and photonics devices. Using first-principle calculations, we construct and classify 51 types of MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$-based [(Mo,W)Si$_2$N$_4$] vdWHs composed of various metallic, semimetallic, semiconducting, insulating and topological 2D materials. Intriguingly, MoSi$_2$N$_4$/(InSe, WSe$_2$) are identified as Type-II vdWHs with exceptional excitonic solar cell power conversion efficiency reaching well over 20%, which are competitive to state-of-art silicon solar cells. The (Mo,W)Si$_2$N$_4$ vdWH family exhibits strong optical absorption in both the visible and ultraviolet regimes. Exceedingly large peak ultraviolet absorptions over 40%, approaching the maximum absorption limit of a free-standing 2D material, can be achieved in (Mo,W)Si$_2$N$_4$/$α_2$-(Mo,W)Ge$_2$P$_4$ vdWHs. Our findings unravel the enormous potential of (Mo,W)Si$_2$N$_4$ vdWHs in designing ultimately compact excitonic solar cell device technology.

研究の動機と目的

• MoSi₂N₄およびWSi₂N₄を基盤とする広範な2次元ファンデルワールスヘテロ構造の族を特定・分類し、顕著性太陽電池への応用を目的とする。
• これらのヘテロ構造のオプトエレクトロニクス的および発電特性、特に変換効率と光学的吸収特性を評価すること。
• (Mo,W)Si₂N₄を基盤とするvdWHが、従来のシリコンベースの太陽電池に代わる高性能で超薄型の代替手段としての可能性を検討すること。
• これらのヘテロ構造が紫外線および可視光領域で理論的上限に近い吸収を達成する条件を特定すること。

提案手法

• 第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、51種類の異なる(Mo,W)Si₂N₄ベースのファンデルワールスヘテロ構造を構築・分類する。
• 電子バンド構造およびタイプ-IIヘテロジャンクション形成の分析により、顕著性太陽電池の動作に適した性質を評価する。
• 可視光および紫外光領域における吸収効率を定量化するため、光学的吸収スペクトルを計算する。
• バンド配置および吸収プロファイルに基づいて理論的発電メトリクスを用い、変換効率を評価する。
• 金属的・半金属的・半導体的・絶縁体的・トポロジカルな2次元材料がヘテロ構造スタックに与える影響を評価する。
• 自由状態の2次元材料の理論的最大吸収限界と比較して、(Mo,W)Si₂N₄/α₂-(Mo,W)Ge₂P₄ヘテロ構造の吸収性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (Mo,W)Si₂N₄ベースのファンデルワールスヘテロ構造の中で、効率的な顕著性太陽電池動作に適したタイプ-IIバンド配置を示すものはどれか？
• RQ2 (Mo,W)Si₂N₄ベースのヘテロ構造で達成可能な理論的最高変換効率はどの程度か？また、最先端のシリコン太陽電池と比べてどうか？
• RQ3 (Mo,W)Si₂N₄ベースのヘテロ構造は、紫外線および可視光領域で理論的上限にどの程度近づけるか？
• RQ4 (Mo,W)Si₂N₄ vdWHファミリーにおける異なる2次元材料の組み合わせによって、光学的吸収特性はどのように変化するか？

主な発見

• MoSi₂N₄/InSeおよびMoSi₂N₄/WSe₂ヘテロ構造は、予測される変換効率が20%を超えるタイプ-IIファンデルワールスヘテロ構造として特定された。
• (Mo,W)Si₂N₄ vdWHファミリーは、可視光および紫外光の両領域で強い光学的吸収を示す。
• (Mo,W)Si₂N₄/α₂-(Mo,W)Ge₂P₄ヘテロ構造におけるピーク紫外線吸収は40%以上に達し、自由状態の2次元材料の理論的上限に近づいている。
• これらのヘテロ構造は優れた光吸収能力を示し、超薄型で高効率な顕著性太陽電池の実現に有効なプラットフォームとして位置づけられる。
• 本研究では、金属的・半金属的・半導体的・絶縁体的・トポロジカルな2次元材料を含む、合計51種類の異なる(Mo,W)Si₂N₄ベースのvdWH構成が同定された。