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編者按：美國的研究人員已經(jīng)展示了如何調(diào)整2D半導(dǎo)體的電勢可以顯著提高其光輸出，這一發(fā)現(xiàn)可以幫助這些材料在光電子領(lǐng)域找到新的應(yīng)用。

2D或單層半導(dǎo)體，如二硫化鉬（MoS2），有朝一日可以讓工程師生產(chǎn)超薄，柔性LED和太陽能電池。然而，目前它們效率低下。

用足夠頻率的光照射半導(dǎo)體產(chǎn)生激子（電子 - 空穴對）。光電子學(xué)中使用的任何半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是光致發(fā)光量子產(chǎn)率 - 衰變產(chǎn)生更多光的激子的比例。加州大學(xué)伯克利分校的Ali Javey解釋說，這決定了使用這種材料的任何LED或太陽能電池所能達(dá)到的最高理論效率。在過渡金屬二硫?qū)倩锶鏜oS2中，這通常只有約0.1％ - 激子與結(jié)構(gòu)缺陷相互作用，例如缺失原子，刺激雙激子（激子對）和正或負(fù)三價(jià)（激子與自由電子的組合）的形成或分別為孔）。這兩者都產(chǎn)生熱能。

2015年，Javey及其同事報(bào)道用雙（三氟甲烷）磺酰亞胺（TFSI）處理MoS2表面使其光致發(fā)光量子產(chǎn)率提高了190倍，但該技術(shù)的有效性仍然知之甚少。此外，研究人員說，工業(yè)應(yīng)用會(huì)很困難。 “在設(shè)備物理中，你經(jīng)常需要將樣品放在真空和各種不同的溶劑中，”Javey解釋道。 “我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)TFSI會(huì)消失。”


這一次，研究人員采取了不同的方法。它們不是化學(xué)處理MoS2，而是將其與金電極一起封裝在聚合物中。它們連接介電層和反電極，以精確控制半導(dǎo)體的電位。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有施加電壓時(shí)，樣品的光致發(fā)光量子產(chǎn)率為0.1％。然而，當(dāng)他們調(diào)低入射光強(qiáng)度并向反電極施加負(fù)電壓時(shí)，量子產(chǎn)率急劇增加，在-20V時(shí)達(dá)到約75％。

二硫化鉬天然富含電子。因此，在沒有施加電壓的情況下，該團(tuán)隊(duì)推斷，大部分激子會(huì)與自由電子結(jié)合形成負(fù)π。然而，向背柵施加負(fù)電壓是從單層吸收自由電子，允許更多的激子保持中性并衰變產(chǎn)生光。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，他們測試了其他二硫化物單層。二硫化鎢顯示出類似的行為。然而，鎢和硒化鉬 - 其自然具有大致相等數(shù)量的電子和空穴 - 在沒有施加電壓的情況下顯示出其最大量子產(chǎn)率。

這解釋了為什么TFSI對MoS2的光致發(fā)光量子產(chǎn)率具有如此顯著影響的原因，Javey解釋道。他說，'TFSI是一種已知的路易斯酸，所以它只是將電子從表面吸走。降低入射光導(dǎo)致半導(dǎo)體中的激子減少，從而減少了形成的雙激子的數(shù)量。這在設(shè)備中會(huì)更成問題。 “如果你正在使用LED，那么你通常希望它非常明亮，”Javey說。 “我們的實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行一些項(xiàng)目，以保持高激子濃度下的光致發(fā)光量子產(chǎn)率很高。”

“無論你有多少缺陷，靜電摻雜并獲得非常高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，這篇論文確實(shí)會(huì)帶來巨大影響，”無論你是否可以使用任何隨機(jī)單層半導(dǎo)體，“該公司董事Andrea Ferrari說。劍橋石墨烯中心在英國。 “讓真正的設(shè)備工作在20-50V可能并不理想，但我認(rèn)為更重要的一點(diǎn)是他們已經(jīng)證明了為什么我們自己使用的TFSI方法有效，這讓人們可以尋找其他方法來達(dá)到同樣的效果。'

巴塞羅那光子科學(xué)研究所的Frank Koppens也印象深刻。他說，我一直認(rèn)為這些半導(dǎo)體單層材料的質(zhì)量有限，而且需要很長時(shí)間才能解決，但他們似乎已經(jīng)以相當(dāng)簡單的方式完成了這項(xiàng)工作。然而，他提醒說，在完全相信之前，他希望看到更多細(xì)節(jié)。

原標(biāo)題：用2D半導(dǎo)體生產(chǎn)太陽能電池，成為可能