曾海波团队设计出理论功率效率22.1%的太阳能电池二维施主材料
前言：
昨天我们分享了一篇有关发光材料的文章。今天我们的分享内容同样与光有关，但不是发光而是吸光，是一种新型的电池施主材料。本次分享来自南京理工大学曾海波教授团队，执笔人为该文章的第一作者谢美秋博士。
本期精彩：
太阳能电池器件因其能够将太阳光直接转化成电能，使其在能源生产及其相关应用方面占据重要的地位。目前有两类可以作为太阳能电池的材料：一类为传统的块体无机半导体；另一类为共轭聚合物以及有激子形成(激子结合能超过26 meV)的一些材料。
传统太阳能电池的缺点：
典型的第一类块体材料的代表就是硅（Si），由于稳定存在和原材料的易得而广泛应用在太阳能电池上。但是，作为太阳能电池它有致命的弱点：间接带隙并且带隙值为1.1 eV，这将不能吸收足够多的太阳光；而且较低的载流子迁移率（）将限制有效电荷的析出。
激子型太阳能电池：
基于传统太阳能电池的局限性，我们考虑后者、即激子太阳能电池（XSCs）（对于激子型太阳能电池，小编提供一个网站http://www.thesolarspark.co.uk/the-science/solar-power/excitonic-solar-cells/，上面有详细的介绍。）。高质量的XSC器件要求主体材料具有直接带隙，带隙1.2−1.6 eV范围内，同时要求较高的电子迁移率来促进电子的传输。因此，选择有效的电子施主和受主半导体材料对我们的激子太阳能电池的效率是至关重要的。
问题如何解决，因何而解决？
最近，南京理工大学曾海波团队发现磷烯状（α相）的单层磷化砷，其功率转换效率可达到 22.1 %，可与目前现有的二维太阳能电池的转换效率相比拟（可参照下表1）。另外该相的少层AsP合金在实验上也已被制备出来，这将增强了我们实验合成单层AsP的信心。该工作发表在Nano Energy（DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.058.），阅读原文请点击文末“阅读原文”。
表1：基于α-AsP的XSC与现有的XSC器件的PCE值
PCE (%) | Years | |
α-AsP/GaN bilayer XSCs | 22.1% | |
Edge-modified phosphorene nanoflakes | 20% | 2016 |
g-SiC2 nanotube/ZnOmonolayer XSC | 12-20% | 2013 |
PCBM/CBN heterojunctions | 10-20% | 2012 |
AA-/AB-stacked bilayer phosphorene/monolayer MoS2 | 18/16% | 2014 |
Monolayer MoS2/monolayer phosphorene | 17.5% | 2014 |
g-SiC2/GaN bilayer XSC | 14.2% | 2013 |
Nanocarbon-based photovoltaics | 9-13% | 2012 |
Single-bulk-heterojunction solar cell | 10% | 2006 |
Nanoparticle-aided polymer solar cell | 8.92% | 2013 |
Tandem polymer solar cells | 8.62% | 2012 |
为什么基于单层α-AsP的太阳能电池效率如此之高？
第一，单层α-AsP具有1.54eV的直接带隙半导体，能够吸收大部分的太阳光。
第二，它的电子迁移率高达14,380cm2V-1s-1，比硅的迁移率高出一个数量级。
第三，我们选择了合适的受主材料单层GaN，不仅能够和单层α-AsP形成一个完美的type-II半导体异质结，在内建电场和高的迁移率的帮助下，将有效地提高光生载流子的分离和传输。而且他们的导带差值ΔEc较小，使得开路电压较小，这样功率转换效率就可以达到较大。
这三个关键优势完全符合上述提到的高质量激子太阳能电池的要求。在考虑外部转换效率（EQE）为100%的情况下，我们计算得到最大的功率转换效率PCE可达22.1%，可与现有的二维太阳能电池的PCE相媲美。因此，基于单层α-AsP在XSCs有望成为下一代柔性的光电器件。同时单层α-AsP也有望应用在光伏器件的下一代材料中。
致谢：该项研究得到了国家重大科学研究计划（2014CB931700-02）、国家自然科学基金国家基金委（51572128，21403109）、江苏省基金等项目的资助。特别感谢深圳超算中心提供的计算机机时。
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