[論文レビュー] Phosphorene and Transition Metal Dichalcogenide 2D Heterojunctions: Application in Excitonic Solar Cells

Vellayappan O Ganesan, Chun Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理的GW-ボルツマン・サルペーター方程式計算を用いて、高効率な励起子型太陽電池としてのリンパレン/遷移金属ジ chalcogenide (TMD) 2次元ヘテロジャンクションの可能性を提案している。リンパレン-TMDヘテロジャンクションでは最大で12%の発電効率（PCE）を達成しており、歪み工学により20%まで向上可能であることが判明し、リンパレンが光エレクトロニクスおよび太陽電池応用分野において強い可能性を示している。

ABSTRACT

Using the first-principles GW-Bethe-Salpeter equation method, here we study the excited-state properties, including quasi-particle band structures and optical spectra, of phosphorene, a two-dimensional (2D) atomic layer of black phosphorus. The quasi-particle band gap of monolayer phosphorene is 2.15 eV and its optical gap is 1.6 eV, which is suitable for excitonic thin film solar cell applications. Next, this potential application is analysed by considering type-II heterostructures with single layered phosphorene and transition metal dichalcogenides (TMDs). These heterojunctions have a potential maximum power conversion efficiency of up to 12\%, which can be further enhanced to 20\% by strain engineering. Our results show that phosphorene is not only a promising new material for use in nanoscale electronics, but also in optoelectronics.

研究の動機と目的

• 励起状態の性質を評価すること。単層リンパレンを励起子型太陽電池に応用するためのもの。
• リンパレン-TMDヘテロジャンクションの電子的および光学的性質を分析すること。太陽電池応用のためのもの。
• 歪み工学および材料選定による発電効率（PCE）の向上可能性を調査すること。
• 効率的な電荷分離を実現するためのリンパレンとさまざまなTMD間の最適なバンド配置を特定すること。

提案手法

• 単層リンパレンの準粒子バンド構造および光学スペクトルを計算するために、GW-ボルツマン・サルペーター方程式（GW-BSE）法を用いた。
• 幾何最適化にはPBE汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を用い、その後、正確な電子構造を得るためにGW補正を適用した。
• タイプ-IIヘテロジャンクション形成の可能性を評価するために、リンパレンと8種類の半導体的TMD（例：MoS2、WSe2、ZrS2）間のバンド配置を計算した。
• リンパレンの伝導帯下端（CBM）を調整するために、2%のアームチェア圧縮歪みが与える影響をシミュレートした。
• 光学ギャップ、バンド配置、およびオープン・サーキット電圧（Voc）の推定値を用いて、ヘテロジャンクションの発電効率（PCE）をモデル化した。
• アノード的性質を活かした多層および積層構造を評価し、吸収および効率の向上の可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層リンパレンの準粒子バンドギャップおよび光学ギャップは何か。また、これらは励起子型太陽電池に適しているか。
• RQ2 リンパレンとさまざまなTMDとの間のバンド配置は、ヘテロジャンクションにおける電荷分離効率にどのように影響するか。
• RQ3 リンパレン-TMDヘテロジャンクション太陽電池で達成可能な理論的最高発電効率（PCE）は何か。
• RQ4 歪み工学によりリンパレンベース太陽電池のPCEをさらに向上させられるか。もしそうなら、どの程度向上するか。
• RQ5 リンパレンの異方的性質は、多層または積層ヘテロジャンクション太陽電池の性能にどのように影響するか。

主な発見

• 単層リンパレンの準粒子バンドギャップは2.15 eVであり、光学ギャップは1.6 eVである。これは、太陽電池の吸収に適した強い励起子効果を示している。
• ZrS2およびMoTe2と結合したリンパレン-TMDヘテロジャンクションは、最大で12%の発電効率（PCE）を達成しており、これは既存の多くの励起子型太陽電池を上回る。
• リンパレンに2%の圧縮アームチェア歪みを加えることで、伝導帯下端（CBM）が約0.11 eV低下し、理論的PCEが最大20%まで向上することが可能である。
• リンパレンとTiS2との間の伝導帯オフセット（CBO）は0.63 eV、ZrS2との間は0.56 eVである。これは、一部の構成においてオープン・サーキット電圧を低下させ、効率を制限する要因となる。
• リンパレンの異方的電子構造および強い光学応答性により、可視光スペクトル全域にわたる吸収が可能なマルチヘテロジャンクション太陽電池に適している。
• リンパレンの機械的安定性により、歪みを最大30%まで印加可能であり、これにより2%の歪みはヘテロジャンクションにおける基板誘起歪みによって実験的に実現可能である。