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      中國科大在二維鐵電體光伏效應研究中取得進展

      時間:2021-10-09 17:28:01 來源:中國科大新聞網

        近日,中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心曾華凌教授課題組和中科院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊龔明教授課題組在二維鐵電體光伏效應研究中取得新的進展。該聯合研究組在室溫二維鐵電材料CuInP2S6中觀察到了顯著增強的體光伏現象,并研究了該現象的維度過渡行為,確定了其臨界厚度,這些結果為理解空間反演對稱破缺體系中電極化主導的光電轉換機制提供了重要的實驗證據。相關研究成果于10月8日以“Enhanced bulk photovoltaic effect in two-dimensional ferroelectric CuInP2S6”為題在線發表于國際學術期刊《自然·通訊》上(Nat. Commun. 12, 5896 (2021))。


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        圖1.(a)體光伏效應示意圖。(b)基于二維材料CuInP2S6的體光伏器件。(c)室溫無外偏壓條件下二維鐵電CuInP2S6中生成的自發光電流。


        傳統光伏器件廣泛依賴于固體中的界面技術,如半導體PN結或肖特基結,這使得它們在光電轉換過程中可利用的光子數及所產生的光伏電壓受限于晶體材料的帶隙。理論證明,這些器件的光電能量轉換效率存在理論上限,即所謂的Shockley-Queisser(SQ)極限。近年來的研究表明,在非中心對稱的晶體材料中普遍存在著被稱為體光伏效應的非線性光學現象,即單一組分的晶體材料能在無外場及無空間不均勻性的條件下自發地導致光生電子與空穴分離,從而產生光電流。此界面技術無關的光伏效應有望打破SQ極限,從而提高光伏器件的能量轉換效率,并獲得超過材料帶隙的光生電壓。


        目前體光伏效應的研究主要集中在以鈣鈦礦氧化物為主的三維鐵電晶體中,包括BiFeO3、PbTiO3等。前期相關研究已經實現了遠超帶隙的光生電壓產生,但受限于塊體材料的厚度和絕緣體性質,利用體光伏效應產生的光電流通常較小,為10-10安培量級。為在體光伏器件中獲得更高的光電流密度,近期的理論研究指出,低維材料體系中存在的高電子態密度及能帶貝里相相關的移位電流是其中的關鍵。但是,關于體系維度和樣品厚度之間的關系,以及維度的過渡如何影響體光伏效應等,目前尚未有一個非常清楚的圖像。


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        圖2.(a)不同維度下體光伏材料中光電流密度和激發光功率密度的關系。(b)體光伏光電流和CuInP2S6樣品厚度的關系以及維度過渡過程。通過臨界厚度dc,層狀鐵電材料CuInP2S6中的載流子擴散長度被估算為40 nm。


        有鑒于此,中國科大曾華凌課題組和龔明課題組在二維范德華層狀鐵電材料CuInP2S6中開展了體光伏效應的研究。該研究工作基于層狀鐵電材料原子級厚度和層間弱范德華力相互作用的特點,結合石墨烯與少層CuInP2S6構筑了垂直異質結構,在無外加偏壓條件下觀察到了顯著的自發光電流現象,并利用外電場、入射光場以及溫度場等多種外場手段,實現了對體光伏強度的調控,證明二維鐵電極化是體光伏增強效應的主要物理機制。此外,通過改變二維鐵電層的厚度,他們非常清晰地演示了體光伏效應的維度過渡過程,并發現基于二維鐵電材料的體光伏輸出電流密度介于一維和三維體光伏材料之間。這一研究成果暗示了材料維度是發展高效體光伏器件的關鍵因素之一。


        中國科學技術大學已畢業博士生李悅、合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生付軍和毛曉宇為本論文的共同第一作者,龔明教授和曾華凌教授為上述文章的共同通訊作者。這項研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和安徽省引導項目的支持。


        論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26200-3


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