[논문 리뷰] Pronounced photovoltaic response from PN-junctions of multi-layered MoSe$_2$ on $h$-BN

Nihar Pradhan, Shahriar Memaran외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 08.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 헥사곤형 붕소 nitride(h-BN) 위의 10층 MoSe₂에서 전기적 장으로 형성된 PN접합이 AM-1.5 조명 조건에서 14%를 초과하는 태양전지 효율을 나타내며, 충전계수는 약 70%에 가까워 기존의 단일결정 또는 분리된 TMDs의 결과를 크게 뛰어넘는다. 향상된 성능는 최적화된 이종구조 공학과 감소된 재결합 손실에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다층 MoSe₂를 h-BN 기반으로 한 고효율 2차원 반도체 태양전지 플랫폼으로서의 광전기적 반응을 조사하기 위해.
• 전이금속디 chalcogenide(TMDs)에서 강한 빛 흡수와 낮은 태양전지 효율 사이의 지속적인 격차를 해결하기 위해.
• 두꺼운 MoSe₂ 플레이크에서 전기적 장으로 형성된 PN접합의 전력변환 효율 향상을 위한 잠재력을 평가하기 위해.
• 밴드 갭 조정 및 접합 공학 전략을 통해 장치 성능을 추가로 향상시키기 위해.

제안 방법

• 헥사곤형 붕소 nitride(h-BN) 기반에서 분리된 10층 MoSe₂ 플레이크를 이용한 전기적 장으로 형성된 PN접합의 제작.
• 표면의 전하 산란과 함몰 상태를 최소화하기 위해 고품질의 유전체로 h-BN를 사용.
• 표준 지구 대기 조건의 태양광 조건을 시뮬레이션하기 위해 AM-1.5 태양광 조명을 적용.
• 효율(η)과 충전계수(FF)를 포함한 광전기적 매개변수를 추출하기 위해 조명 조건 하에서 전류-전압(I-V) 특성 측정.
• 백게이팅을 통해 패피 레벨을 조절하고 동일한 MoSe₂ 플레이크 내에서 p형 및 n형 영역을 형성.
• 다이오드 특성과 광전압 생성을 분석하여 전기적 장으로 형성된 PN접합의 형성과 功能성을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 h-BN 위의 다층 MoSe₂에서 전기적 장으로 형성된 PN접합이 고효율 광전지 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 표준 태양광 조건 하에서 두꺼운 MoSe₂(10층)의 광전지 성능은 단일층 또는 다결정 TMDs와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 h-BN 기반재가 MoSe₂ PN접합의 광전지 반응을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이종구조 및 접합 품질 공학을 통해 얼마나 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• MoSe₂/h-BN PN접합은 AM-1.5 조명 조건 하에서 광전지 효율(η)이 14%를 초과하여 이전에 보고된 단일결정 또는 분리된 TMDs의 값보다 뚜렷이 높다.
• 장치는 약 70%에 가까운 높은 충전계수를 나타내어 저항이 낮고 효과적인 전하 추출이 이루어지고 있음을 시사한다.
• PN접합은 이상적인 다이오드 특성의 I-V 특성을 보이며 전기적 장으로 인한 효과적인 p-n 접합 형성이 확인되었다.
• 유전체 기반재로 h-BN를 사용함으로써 결함 밀도가 감소하고 전자 이동도가 향상되어 전체 장치 성능이 향상되었다.
• 밴드 갭 조정, 접합 최적화 또는 태양전지 타란드 구조 통합을 통해 효율 향상이 추가로 가능할 것으로 제안된다.
• 이 연구는 고효율 박막 광전지 응용 분야에서 수직으로 쌓인 2차원 이종구조를 활용할 수 있는 탄탄한 기반을 마련하였다.