[논문 리뷰] 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 Yu외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 23.

2D Materials and Applications인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 초박성 발광 태양전지의 매우 유망한 플랫폼으로 MoSi₂N₄ 및 WSi₂N₄ 반데르발스 이종구조(vdWHs)를 제안한다. 최초 원리 계산을 통해 MoSi₂N₄/InSe 및 MoSi₂N₄/WSe₂와 같은 타입-II 이종구조가 20%를 초월하는 전력 변환 효율을 달성하며, 이론적 최대에 가까운 가시광 및 자외선 흡수를 보이며, 기존 실리콘 태양전지와의 경쟁 가능한 대안으로서 위치를 매김한다.

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.

연구 동기 및 목표

• MoSi₂N₄ 및 WSi₂N₄ 기반의 2차원 반데르발스 이종구조의 광범위한 가족을 식별하고 분류하여 발광 태양전지 응용을 위한 기초를 마련한다.
• 이러한 이종구조의 옹전자 및 광전기적 특성, 특히 전력 변환 효율과 광학적 흡수 특성의 평가를 수행한다.
• (Mo,W)Si₂N₄ 기반 vdWH이 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 고성능 초박성 대안으로서의 잠재력을 탐색한다.
• 이러한 이종구조가 자외선 및 가시광 영역에서 이론적 최대 흡수에 얼마나 가까이 도달할 수 있는지 조건을 규명한다.

제안 방법

• MoSi₂N₄ 및 WSi₂N₄ 기반 반데르발스 이종구조 51종을 구성하고 분류하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용한다.
• 전자 밴드 구조 분석 및 타입-II 이종접합 형성 분석을 통해 발광 태양전지 작동에 적합한지를 평가한다.
• 가시광 및 자외선 영역에서의 흡수 효율을 정량화하기 위해 광학적 흡수 스펙트럼을 계산한다.
• 밴드 정렬 및 흡수 프로파일을 기반으로 이론적 태양전지 지표를 도출하여 전력 변환 효율을 평가한다.
• 이종구조 스택 내에서 다양한 2차원 재료(금속성, 반금속성, 반도체성, 절연성, 토폴로지적)의 역할을 평가한다.
• (Mo,W)Si₂N₄/α₂-(Mo,W)Ge₂P₄ 이종구조의 흡수 성능을 자유립체 2차원 재료의 이론적 최대 흡수 한계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 (Mo,W)Si₂N₄ 기반 반데르발스 이종구조 중에서 효율적인 발광 태양전지 작동에 적합한 타입-II 밴드 정렬을 보이는 것은 무엇인가?
• RQ2 (Mo,W)Si₂N₄ 기반 이종구조에서 달성 가능한 이론적 최대 전력 변환 효율은 얼마이며, 최신 실리콘 태양전지와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 (Mo,W)Si₂N₄ 기반 이종구조가 자외선 및 가시광 영역에서 이론적 최대 흡수에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ4 (Mo,W)Si₂N₄ vdWH 가족 내 다양한 2차원 재료 조합에서 광학적 흡수 특성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• MoSi₂N₄/InSe 및 MoSi₂N₄/WSe₂ 이종구조는 예측된 전력 변환 효율이 20%를 초월하는 타입-II 반데르발스 이종구조로 확인되었다.
• (Mo,W)Si₂N₄ vdWH 가족은 가시광 및 자외선 스펙트럼 영역에서 강력한 광학적 흡수를 보였다.
• (Mo,W)Si₂N₄/α₂-(Mo,W)Ge₂P₄ 이종구조에서의 최고 자외선 흡수율은 40%를 초과하여 자유립체 2차원 재료의 이론적 최대 흡수에 가까워졌다.
• 이러한 이종구조는 뛰어난 빛 수집 능력을 보이며, 초박성 고효율 발광 태양전지의 실현 가능한 플랫폼으로서의 위치를 확립하였다.
• 본 연구에서는 금속성, 반금속성, 반도체성, 절연성, 토폴로지적 2차원 재료를 포함한 총 51종의 별개의 (Mo,W)Si₂N₄ 기반 vdWH 구성이 식별되었다.