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一维范德华晶界中的巨大体光伏效应!ML3再登Nature Commun.

更新时间:2024-04-02点击次数:83

论文题目:Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries

发表期刊:Nature Communications IF: 17.65

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44792-4


【引言】


光伏效应作为一种重要的绿色环保能源收集手段,已在众多领域得到广泛应用。然而,传统PN结中的光电转换效率受到Shockley-Queisser极限的限制,无法进一步提高。因此,研究者将目光转向了非中心对称材料。在这种材料中,当受到均匀光照,且无外接偏压的条件下,就可以产生直流光电流。这种光电转换现象由于只受到材料本征对称性的影响,被称为材料的本征光电转换效应(IPVE)。由于材料本征的IPVE不受Shockley-Queisser极限的限制,为进一步提高光电转换效率提供了研究思路。


【成果简介】


2024年2月,南方科技大学相关团队使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3在光电转化器件的制备及应用等方面取得重要成果。作者利用ReS2材料中一维范德华晶界(vdW GBs)制备了基于IPVE效应的光电转换器件。根据实验测量结果,所制备出的光电转换器件具有同类器件中最高的IPVE效率。此外,研究发现利用不受极化影响的门电极可对vdW GBs的IPVE转换效率进行调节,更有利于能量的收集。相关工作以《Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries》为题,在SCI期刊《Nature Communications》上发表。


文中使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3克服了传统光刻工艺中需要掩膜版的难题,通过电脑控制DMD微镜矩阵开关,经过光学系统调制,直接在光刻胶上曝光绘出所要的图案。与此同时,该设备还具备结构紧凑(70cm X 70cm X 70cm)、直写速度高,高分辨率(XY:<1 μm)等特点。采用集成化设计,全自动控制,可靠性高,操作简便。凭借这些优势,MicroWriter ML3为本研究光电器件的成功制备提供了关键技术支持。



图1. 小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3


【图文导读】



图2. ReS2材料中vdW GBs的表征。(a)ReS2材料的STEM和HAADF表征结果。(b)ReS2材料中晶界的STEM和HAADF表征结果。(c)材料晶界附近的顶视示意图。(d)和(e)材料极化和非极化条件下的光学表征结果。(f)材料的极化拉曼表征结果。



图3. 在ReS2晶界的IPVE效应。(a)利用MicroWriter ML3无掩模光刻机制备的光电转换器件。(b)沿y方向光电流在材料不同位置的测量。(c)扫描光电光谱仪对材料光电流的表征结果。(d)沿x方向光电流在材料不同位置的测量。(e)在晶界处的极化分辨光电流。(f)极化独立项的空间分布。



图4. 通过调节电压实现对ReS2的IPVE转换效率的调节。(a)利用MicroWriter ML3制备的光电转换器件。(b)在不同电压下,IPVE效应所产生的光电流对应的值。



图5. 论文Supplementary Information中利用MicroWriter无掩模光刻机的所制备的光电器件。


【结论】


论文中,南方科技大学相关团队利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备了基于ReS2一维vdW GBs的光电转换器件。由于该器件利用了IPVE效应,突破了传统PN结中的Shockley-Queisser光电转换极限。与同类器件相比,论文中所制备出的光电转换效率也处于优异水平。该工作不仅制备出高转换效率的光电器件,还为光电转换效率的提高打下坚实的理论基础。从论文中还可以看出,MicroWriter ML3无掩模光刻机得益于其强大的光刻和套刻能力,可以十分方便地实现实验中所设计图形的曝光,是各学科科研中制备各类微纳器件的得力助手。


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1、小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3


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