[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过第一性原理GW-玻恩-萨皮尔方程计算，提出磷烯/过渡金属二硫属化物（TMD）二维异质结作为高效激子型太阳能电池。研究发现，磷烯-TMD异质结的最大功率转换效率（PCE）可达12%，通过应变工程可进一步提升至20%，表明磷烯在光电子与光伏应用中具有巨大潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估单层磷烯的激发态性质，以用于激子型太阳能电池。
• 分析磷烯-TMD异质结的电子与光学性质，以用于光伏应用。
• 研究通过应变工程和材料选择提升功率转换效率（PCE）的潜力。
• 确定磷烯与各种TMD之间最优的能带排列，以实现太阳能电池中的高效电荷分离。

提出的方法

• 采用GW-玻恩-萨皮尔方程（GW-BSE）方法，计算单层磷烯的准粒子能带结构和光学谱。
• 使用密度泛函理论（DFT）结合PBE泛函进行几何优化，随后施加GW修正以获得精确的电子结构。
• 计算磷烯与八种半导体TMD（如MoS2、WSe2、ZrS2）之间的能带排列，以评估II型异质结的形成。
• 模拟在磷烯上施加2%的扶手椅方向压缩应变对其能带结构的影响，以调节其导带最小值（CBM）。
• 通过光学带隙、能带排列和开路电压（Voc）估算，建立异质结的功率转换效率（PCE）模型。
• 评估多层及堆叠结构，以探索利用各向异性特性增强吸收与效率的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层磷烯的准粒子带隙和光学带隙分别是多少？其是否适合用于激子型太阳能电池？
• RQ2 磷烯与不同TMD之间能带排列如何影响异质结中的电荷分离效率？
• RQ3 磷烯-TMD异质结太阳能电池的理论最大功率转换效率（PCE）是多少？
• RQ4 应变工程是否能进一步提升基于磷烯的太阳能电池PCE？若能，提升幅度如何？
• RQ5 磷烯的各向异性如何影响多层或堆叠异质结太阳能电池的性能？

主要发现

• 单层磷烯的准粒子带隙为2.15 eV，其光学带隙为1.6 eV，表明存在强烈的激子效应，适合用于太阳能电池的光吸收。
• 磷烯-TMD异质结中，与ZrS2和MoTe2形成的结构可实现最高12%的功率转换效率（PCE），超过大多数现有激子型太阳能电池。
• 通过在磷烯上施加2%的扶手椅方向压缩应变，可使其导带最小值（CBM）下移约0.11 eV，从而实现高达20%的理论PCE。
• 磷烯与TiS2之间的导带偏移（CBO）为0.63 eV，与ZrS2之间为0.56 eV，这会降低开路电压，限制部分结构的效率。
• 磷烯的各向异性电子结构和强光学响应使其适用于吸收可见光谱范围的多结太阳能电池。
• 磷烯的机械稳定性使其可承受高达30%的应变，因此在异质结中通过基底诱导应变实现2%应变在实验上是可行的。