Nat. Nanotech.：二维材料如何让光电子器件效率翻倍？

光电探测器在生活中无处不在，从照相机、手机、太阳能电池板、远程控制设备到卫星和宇宙飞船，其工作原理是利用光电效应，激发半导体中的电子和空穴，将光信号转化为电信号。自从光电探测器被发明以来，增加其光电转换效率就成为了制作光电探测器首要的目标。提高这种效率的方法之一是将材料缩小到纳米级，这一结论已经得到证实。而通过对二维过渡金属二硫族化合物（transition-metal dichalcogenides，TMDs）的费米速度、量子非局域性等性质的理论研究，有研究者推断，这类二维材料具有较强的电子-空穴相互作用，并预测其在光电器件中具有高效的光电转换效率。尽管理论预测让人欢欣鼓舞，但有关TMDs超高光电转化效率的器件却始终未见问世。

近日，美国加州大学河滨分校（UCR）的Nathaniel M. Gabor课题组在Nature Nanotechnology 杂志上发表文章，通过将两原子层的二硒化钨（WSe₂）堆叠在单原子层的二硒化钼（MoSe₂）上，制备了性能优异的二维半导体异质结构光电池。这种堆叠结构与现有的层结构特性的光电激发特性有很大的不同，二者能级匹配，恰巧有利于电子-空穴分离和光电转换，可以将近红外光电子器件的响应度提高350%。这种基于TMDs的二维半导体异质结构，有望用于超高效光电探测器等光电装置之中。

异质结构光电管示意图。图片来源：Nat. Nanotech.

研究者认为，当一个光子打到WSe₂层上后，可以激发一个电子，使其自由的在WSe₂层运动。在WSe₂和MoSe₂的接触点，这个自由电子将“掉落”到MoSe₂层，其过程中电子释放的能量会将另一个电子由WSe₂层“踢”到MoSe₂层，最终获得两个自由电子并产生电量。这将实现激发电子数量的倍增，并因此极大地提高了光电流和光电效率。传统光电池装置中的电子倍增通常需要10-100 V的电压，而本工作只需要1.2 V的低电压即可。

光电转换原理示意图。图片来源：Nat. Nanotech. / UCR

同时，温度对I-V输出曲线也有很大的影响，反向偏置电压和电流均随温度升高而增加。这意味着，通过提高器件的温度，可以产生更多的电子。

温度对I-V_SD曲线的影响，图片来源：Nat. Nanotech.

“我们看到了一种新现象，”Gabor教授说，“通常情况下，当一个电子在能态之间跳跃时，它会浪费能量。在我们的实验中，这些原本要浪费掉的能量却产生了另一个电子，将其效率提高了一倍。”这些发现对设计新的超高效光伏器件，比如光电探测器甚至太阳能电池，具有广泛的意义。^[1]

Nathaniel Gabor教授（左）与本文共同一作Fatemeh Barati（中）和Max Grossnickle（右）。图片来源：UCR

由于单原子层的材料是几乎透明的，我们可以预想将它涂在建筑物外层，或是作为太阳能电池材料安装在窗户上。这些材料具有很好的柔韧性，还可以预想将它们应用于可穿戴设备甚至衣服上，可以随时随地收集太阳能“为自己充电”。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hot carrier-enhanced interlayer electron–hole pair multiplication in 2D semiconductor heterostructure photocells

Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.203

参考资料：

1. https://ucrtoday.ucr.edu/49282

（本文由小希供稿）