Karakteristik Fotovoltaik Perangkat Heterojungsi GaSe/MoSe2

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan transmitansi (T ) dan reflektansi (R ) spektrum serpihan GaSe pada substrat kaca. Garis merah dan biru solid menunjukkan spektrum transmitansi dan reflektansi terukur dalam kisaran 200–1600 nm, masing-masing. Spektrum absorbansi (A ) yang diwakili oleh garis hitam pekat dihitung dengan relasi berikut;

a Transmisi, reflektansi, spektrum absorbansi dan b koefisien penyerapan serpihan GaSe. Sisipan:gambar mikroskop optik serpihan GaSe

Koefisien penyerapan dihitung dengan persamaan berikut seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b.

dimana d adalah ketebalan sampel, yang diperkirakan 638 ± 29 nm dengan pengukuran AFM. Koefisien penyerapan GaSe secara bertahap meningkat dari sekitar 2 eV sesuai dengan celah pita. Karena pita valensi maksimum ada pada titik-, dan bagian bawah pita konduksi pada titik- hanya beberapa puluh meV di atas minimum pita konduksi pada titik-M, GaSe dianggap sebagai celah pita kuasi-langsung [12]. Eksitasi langsung juga diketahui berada pada energi titik-Γ yang sangat dekat dengan transisi antar pita langsung dan tidak langsung [12, 19]. Sisipan Gambar 1b menunjukkan gambar mikroskop optik (OM) serpihan GaSe untuk pengukuran. Lingkaran tengah pada gambar OM menunjukkan area pengukuran. Di sisi lain, Gambar. 2 menunjukkan sifat optik MoSe₂ serpihan dengan ketebalan 99 ± 3 nm ditransfer pada substrat kaca. Koefisien penyerapan MoSe₂ dipamerkan lebih dari urutan besarnya lebih tinggi dari GaSe. Peningkatan tajam dari 1,5 eV dan dua puncak berorientasi eksiton kompatibel dengan laporan sebelumnya [28, 29].

a Transmisi, reflektansi, spektrum absorbansi dan b koefisien penyerapan MoSe₂ mengelupas. Sisipan:gambar mikroskop optik MoSe₂ serpihan

Selanjutnya, kristalinitas dan sifat optik lebih lanjut dari bahan dua dimensi ini diselidiki oleh Raman dan PL. Spektrum Raman dan PL diukur menggunakan Fabrikasi GaSe/MoSe₂ perangkat heterojungsi. Puncak Raman pada 133, 214, dan 309 cm ⁻¹ diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Puncak Raman pada 133 dan 309 cm ⁻¹ menunjukkan mode vibrasi planar dari A ¹ _1g (133 cm ⁻¹ ) dan A ² _1g (309 cm ⁻¹ ), masing-masing. Puncak lainnya pada 214 cm ⁻¹ berasal dari getaran selenida dalam mode di luar bidang yang disebut E ¹ _2g [15, 17]. Getaran kristal yang jernih ini menunjukkan kristalinitas tinggi dari serpihan GaSe yang ditransfer. Gambar 3b menunjukkan spektrum PL yang diperoleh dari serpihan GaSe pada substrat Si pada 25 °C. Puncak PL sekitar 626 dan 655 nm masing-masing sesuai dengan celah pita langsung dan tidak langsung. Celah pita tidak langsung hanya ditetapkan 25 meV lebih rendah dari celah pita langsung di GaSe [18, 19]. Spektrum Raman dari MoSe₂ ditransfer pada substrat Si menunjukkan dua puncak yang jelas di sekitar 236 dan 243 cm ⁻¹ , yang sesuai dengan A_1g mode seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Raman dan spektrum pendaran (Gbr. 4b) menunjukkan kualitas tinggi dari MoSe yang ditransfer₂ serpihan pada substrat Si.

a Raman dan b Spektrum PL dari serpihan GaSe

a Raman dan b Spektrum PL MoSe₂ serpihan

Gambar 5a menunjukkan gambar mikroskopis optik dari GaSe/MoSe yang dibuat₂ perangkat heterojunction dikontakkan dengan elektroda Ti. Serpihan GaSe dikontakkan dengan elektroda kiri dan bawah, dan MoSe₂ serpihan dihubungi dengan elektroda kanan dan atas, masing-masing. Daerah heterojungsi yang didefinisikan sebagai daerah aktif sel surya diperkirakan sebesar 490 m ² dari gambar ini. Kinerja sel surya diukur menggunakan elektroda bawah dan elektroda atas di bawah simulasi sinar matahari. Ketebalan GaSe dan MoSe ini₂ serpih diperkirakan 118 dan 79 nm dengan pengukuran AFM, masing-masing. Kedua ketebalan film ini sesuai dengan 120-130 lapisan. Gambar skema dan diagram pita GaSe/MoSe₂ perangkat heterojunction diilustrasikan pada Gambar. 5b, c, masing-masing.

a Gambar mikroskopis optik, b gambar skema, dan c diagram pita dari GaSe/MoSe yang dibuat₂ perangkat heterojungsi

Karakteristik tegangan arus dari GaSe/MoSe yang dibuat₂ perangkat heterojunction di bawah kondisi cahaya matahari 0,5-1,5 ditunjukkan pada Gambar. 6a. Jelas bahwa perangkat heterojungsi ini menunjukkan efek penyearah dan fotovoltaik, dan juga dapat dilihat bahwa I –V kurva berubah tergantung pada intensitas penyinaran cahaya dari Gambar. 6a. Gambar 6b ​​menunjukkan ringkasan ketergantungan intensitas penyinaran cahaya dari arus hubung singkat (I _sc ) dan tegangan rangkaian terbuka (V _ok ). Aku _sc meningkat secara linier dengan intensitas penyinaran cahaya dalam kisaran ini. Di sisi lain, dapat dilihat bahwa V _ok meningkat secara logaritmik sehubungan dengan intensitas penyinaran cahaya. Karena ekspresi relasional berikut berlaku untuk dioda ideal, faktor ideal diperkirakan 1,11 dengan memasang.

dimana n adalah faktor idealitas, k _B adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu perangkat, q adalah satuan dasar muatan, sehingga \(\frac{{k_{{\text{B}}} T}}{q} \approx\) 0,0258 V pada suhu kamar. Aku _L dan Aku _gelap masing-masing adalah arus foto dan arus gelap. Faktor ideal yang mendekati 1 menunjukkan bahwa GaSe/MoSe₂ . ini struktur membentuk heterojunction ideal di mana terdapat medan listrik internal yang cukup untuk memisahkan eksitasi. Kepadatan arus hubung singkat (J _sc ) dihitung menjadi 3,11 mA/cm ² dari area aktif yang ditentukan oleh gambar optik. Faktor pengisian (FF ) dan efisiensi konversi (η ) diperkirakan masing-masing 0,44 dan 0,54% di bawah 1 kondisi matahari. Sejak FF menurun karena pengaruh resistansi seri saat penyinaran selama 1 matahari atau lebih, η hampir sama dengan penyinaran selama 1 matahari, meskipun J _sc dan V _ok .ditingkatkan. Untuk meningkatkan FF , perlu untuk meningkatkan konfigurasi perangkat seperti memperpendek jarak ke elektroda.

a Aku –V karakteristik dan b ketergantungan intensitas penyinaran cahaya GaSe/MoSe₂ kinerja sel surya heterojungsi

Selanjutnya, kami memperkirakan efisiensi kuantum eksternal dari GaSe/MoSe₂ heterojunction dengan menggunakan simulator optik (e-ARC) [29]. Perhitungan dilakukan dengan struktur yang benar-benar datar di mana GaSe dan MoSe₂ dengan ketebalan film yang sama dengan perangkat fabrikasi dilaminasi pada substrat Si datar. Konstanta optik GaSe dan MoSe₂ dirujuk ke nilai yang dilaporkan [30, 31]. Rugi pembawa yang disebabkan oleh rekombinasi pada antarmuka material dan daerah curah sepenuhnya digabungkan. Spektrum serapan yang disimulasikan ditunjukkan pada Gambar 7. Daerah berwarna hijau menunjukkan daerah serapan GaSe/MoSe₂ heterojunction, yaitu jumlah penyerapan GaSe yang ditunjukkan oleh garis putus-putus biru dan penyerapan MoSe₂ ditunjukkan oleh garis putus-putus berwarna merah. Daerah kuning ditransmisikan dan diserap oleh substrat Si, dan daerah lain menunjukkan komponen refleksi. Maksimum J _sc pada rentang panjang gelombang 300–950 nm diperkirakan 19,29 mA/cm ² jika pembawa foto yang dihasilkan dapat sepenuhnya dikumpulkan dari perangkat buatan. Hasil simulasi kami memperkirakan bahwa J _sc akan meningkat, dan 23 mA/cm ² dapat diperoleh ketika ketebalan film GaSe sekitar 60 nm. Disosiasi besar antara nilai arus yang dihitung dan nilai eksperimental mungkin disebabkan oleh potensi internal yang tidak mencukupi pada perangkat yang dibuat. Jika hipotesis ini benar, mengoptimalkan ketebalan film dari lapisan penyerap dan mengoptimalkan fungsi kerja bahan kontak dapat secara signifikan meningkatkan J _sc . Selanjutnya karena hasil simulasi ini menunjukkan bahwa komponen pemantulan juga besar, maka dapat dikatakan bahwa efek kurungan cahaya pada sisi permukaan datang dan sisi permukaan belakang dari GaSe/MoSe₂ sel surya heterojunction juga menjadi isu penting di masa depan. Teknologi plasmon permukaan dinilai sangat efektif untuk pengurungan cahaya di sel surya berbasis material dua dimensi [32].

Spektrum serapan simulasi GaSe/MoSe₂ heterojungsi