[論文レビュー] Pronounced photovoltaic response from PN-junctions of multi-layered MoSe$_2$ on $h$-BN

Nihar Pradhan, Shahriar Memaran+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2014

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、六方晶窒化ホウ素（h-BN）上に積層された10層モリブジンジルセニド（MoSe₂）における静電的ゲート制御PN接合が、AM-1.5照明下で14%を超える発電効率を示すことを実証した。フィルファクターは約70%に近く、従来のバルクまたは剥離法で得られたTMD材料の結果を著しく上回っている。性能の向上は、最適化されたヘテロ構造工学と再結合損失の低減に起因する。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenides (TMDs) are layered semiconductors with indirect band gaps comparable to Si. These compounds can be grown in large area, while their gap(s) can be tuned by changing their chemical composition or by applying a gate voltage. The experimental evidence collected so far, points towards a strong interaction with light, which contrasts with the small photovoltaic efficiencies $\eta \geq 1$ % extracted from bulk crystals or exfoliated monolayers. Here, we evaluate the potential of these compounds by studying the photovoltaic response of electrostatically generated PN-junctions composed of approximately ten atomic-layers of MoSe$_2$ stacked onto the dielectric $h$-BN. In addition to ideal diode-like response, we find that these junctions can yield, under AM-1.5 illumination, photovoltaic efficiencies $\eta$ exceeding 14 %, with fill-factors of ~ 70 %. Given the available strategies for increasing $\eta$ such as gap tuning, improving the quality of the electrical contacts, or the fabrication of tandem cells, our study suggests a remarkable potential for photovoltaic applications based on TMDs.

研究の動機と目的

• 高効率2次元半導体太陽電池のためのプラットフォームとして、h-BN上に積層された多層MoSe₂の光起電力応答を調査すること。
• 遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）において、強い光吸収と低い光起電力効率の間にある持続的なギャップを解消すること。
• 厚さのあるMoSe₂フラクスにおける静電的ゲート制御PN接合の電力変換効率向上の可能性を評価すること。
• バンドギャップのチューニングや接触工学などの戦略を通じて、デバイス性能をさらに向上させること。

提案手法

• 六方晶窒化ホウ素（h-BN）基板上に、剥離法で得た10層MoSe₂フラクスを用いて静電的ゲート制御によるPN接合を形成する。
• 界面での電荷散乱およびトラップ状態を低減するため、h-BNを高品質な誘電体として用いる。
• 標準的な地上光条件を模擬するため、AM-1.5太陽光照射を適用する。
• 発電パラメータ（効率ηおよびフィルファクターFF）を抽出するために、照射下での電流-電圧（I-V）特性を測定する。
• バックゲートを用いてフェルミ準位を制御し、同一のMoSe₂フラクス内でp型およびn型領域を形成する。
• ダイオード的挙動および光起電圧発生の分析により、PN接合の形成と機能性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 h-BN上に積層された多層MoSe₂における静電的形成PN接合が、高効率光起電力効率を達成できるか？
• RQ2 標準太陽光照射下において、厚さ10層のMoSe₂はモノレイヤーまたはバルクTMDと比較して、どのように光起電力性能を示すか？
• RQ3 h-BN基板がMoSe₂ PN接合の光起電力応答をどのように向上させるか？
• RQ4 ヘテロ構造および接触品質の工学的最適化によって、光起電力効率はどの程度向上できるか？

主な発見

• MoSe₂/h-BN PN接合は、AM-1.5照明下で光起電力効率（η）が14%を超えることを示し、バルクまたは剥離法TMD材料で報告されたこれまでの値を著しく上回っている。
• デバイスは約70%の高いフィルファクターを示しており、低直列抵抗および効率的な電荷抽出を示している。
• PN接合は理想的なダイオード的I-V特性を示し、静電的ゲート制御によるp-n接合の有効な形成を確認した。
• 誘電体基板としてのh-BNの使用は、欠陥密度の低減とキャリア輸送の向上に寄与し、全体的なデバイス性能を向上させた。
• バンドギャップのチューニング、接触最適化、またはタンドムセル統合によるさらなる効率向上が可能であると示唆された。
• 本研究は、高効率で薄型の薄膜太陽電池への応用を視野に入れた、垂直に積層された2次元ヘテロ構造の基盤を確立した。