微電子所等在二維材料異質結構光電器件研究中取得進展

　　半導體光伏結構因其能夠有效地將太陽能轉化為電能，被認為是實現清潔能源的重要途徑。然而早在1961年，美國科學家肖克萊、德國科學家凱賽爾便提出光伏單元的效率由于難以避免的損耗而存在理論極限。其中，由于光子吸收和再輻射導致的自發輻射損耗最為關鍵，這種損耗正比于自發輻射立體角和太陽光立體角的比值。太陽光的立體角僅為6x10-5球面度，而自發輻射的立體角為4π球面度。這種損耗使得傳統光伏單元的開路電壓降低300毫伏以上，極大降低了光伏單元的效率。

　　近年來，新興的二維層狀半導體材料因其可通過厚度變化調控能帶結構，同時通過獨特的范德瓦耳斯結構實現靈活的異質集成功能設計、構筑高效率的光伏單元，而成為當前的研究熱點。其中的關鍵科學問題是如何有效控制自發輻射損失，從而提高光伏單元的光吸收效率。此外，基于二維材料異質結光伏單元的效率極限及其相比于傳統半導體光伏結構是否有優勢尚不明確。

　　針對上述問題，貴州民族大學教授劉江濤和中國科學院微電子研究所研究員吳振華開展了系列理論研究，提出了利用單層二硫化鉬構筑準一維光子晶體結構實現光子局域態的方案，并通過轉移矩陣方法證明了該結構的光發射和吸收效率較單層二硫化鉬提升2~3個量級[Scientific Reports, 7:16391, (2017)]，證明了通過金屬微腔可實現二維光伏單元的寬光譜增強吸收[Nanotechnology, 29:14401 (2018)]。

　　最近聯合研究團隊提出了一種將二維材料異質結與契型金屬微腔結合的新型光伏單元設計方案（如圖所示）。該方案在極大增強二維異質光伏單元光吸收的同時，有效降低自發輻射立體角以及自發輻射立體角和太陽光立體角的比值，從而降低光子吸收和再輻射導致的損耗。理論計算證明，新型光伏單元吸收效率極限大約為傳統光伏器件的1.1X倍。在此基礎上，團隊進一步提出了通過易于集成的普通光聚焦系統進行優化的方案，優化后的吸收效率可達到傳統光伏單元在完美聚焦理論假設下的性能水平。由于自發輻射損失隨著光伏單元厚度增加而增加，該研究基于二維材料的設計是當前趨于極限厚度的最佳方案。未來，技術成熟后新型二維光伏單元有望取代傳統半導體光伏單元，具有廣泛應用前景。該項研究工作近期發表于Phys.Rev.Appl., 12:034023,（2019）。

新型二維異質結構光伏單元示意圖及吸收效率基準參照