[논문 리뷰] Phosphorene and Transition Metal Dichalcogenide 2D Heterojunctions: Application in Excitonic Solar Cells

Vellayappan O Ganesan, Chun Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 27.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 전자기계적 GW-베테-살파터 방정식 계산을 사용하여 인산화물/전이 금속 디할라이드(TMD) 2차원 이종접합을 고효율의 흥분체 태양전지로 제안한다. 인산화물-TMD 이종접합에서 최대 전환 효율(PCE)이 12%에 이를 것으로 밝혀졌으며, 이는 변형 공학을 통해 20%까지 향상시킬 수 있음을 보여, 인산화물이 광전자 및 태양전지 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 흥미 상태 성질을 평가하여 단층 인산화물이 흥발체 태양전지에 적합한지 분석한다.
• 광전지 응용을 위한 인산화물-TMD 이종접합의 전자적 및 광학적 성질을 분석한다.
• 변형 공학과 재료 선택을 통한 전력 변환 효율(PCE) 향상 잠재력을 조사한다.
• 효율적인 전하 분離를 위한 인산화물과 다양한 TMD 사이의 최적의 Band 정렬을 규명한다.

제안 방법

• 단층 인산화물의 준입자 밴드 구조 및 광학 스펙트럼을 계산하기 위해 GW-베테-살파터 방정식(GW-BSE) 방법을 사용하였다.
• 기하 구조 최적화를 위해 PBE 기능을 사용한 밀도역학함수이론(DFT)을 적용하였고, 정확한 전자 구조를 확보하기 위해 GW 보정을 실시하였다.
• 형식 II 이종접합 형성 가능성을 평가하기 위해 인산화물과 여덟 가지 반도체 TMD(MoS₂, WSe₂, ZrS₂ 등) 간의 밴드 정렬을 계산하였다.
• 인산화물의 도체 밴드 최소값(CBM)을 조정하기 위해 2%의 아크형 압축 변형을 시뮬레이션하였다.
• 광학 갭, 밴드 정렬 및 개방 회로 전압(Voc) 추정치를 기반으로 이종접합의 전력 변환 효율(PCE)을 모델링하였다.
• 이방성 성질을 활용한 향상된 흡수 및 효율성을 탐색하기 위해 다층 및 스택형 구조를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 인산화물의 준입자 밴드 갭과 광학 갭은 얼마이며, 이는 흥발체 태양전지에 적합한가?
• RQ2 인산화물과 다양한 TMD 사이의 밴드 정렬은 이종접합에서 전하 분리 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 인산화물-TMD 이종접합 태양전지에서 이론적으로 달성 가능한 최대 전력 변환 효율(PCE)은 얼마인가?
• RQ4 변형 공학은 인산화물 기반 태양전지의 PCE를 추가로 향상시킬 수 있으며, 그 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 인산화물의 이방성 성질은 다층 또는 스택형 이종접합 태양전지 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 단층 인산화물의 준입자 밴드 갭은 2.15 eV이며, 광학 갭은 1.6 eV로, 태양전지 흡수에 적합한 강한 흥발체 효과를 나타낸다.
• ZrS₂ 및 MoTe₂를 포함한 인산화물-TMD 이종접합에서 최대 전력 변환 효율(PCE)이 12%에 도달하였으며, 이는 대부분의 기존 흥발체 태양전지보다 뛰어나다.
• 인산화물에 2%의 아크형 방향의 탄성 압축 변형을 가하면 도체 밴드 최소값(CBM)이 약 0.11 eV 낮아지며, 이로 인해 이론적 PCE가 최대 20%까지 향상된다.
• TiS₂와의 도체 밴드 오프셋(CBO)은 0.63 eV, ZrS₂와의 CBO는 0.56 eV로, 일부 구성에서 개방 회로 전압을 감소시켜 효율을 제한한다.
• 인산화물의 이방성 전자 구조와 강한 광학 반응성 덕분에 가시광선 영역 전체를 흡수할 수 있는 다중접합 태양전지에 적합하다.
• 인산화물의 기계적 안정성은 최대 30%까지 변형을 견딜 수 있으며, 이는 이종접합에서 기판 유도 변형을 통해 2% 변형을 실험적으로 적용 가능함을 의미한다.