用于高效太阳能收集的 MoSi?P? 和 SnS? 范德华异质结的光电性能增强

《Journal of Colloid and Interface Science》：Enhanced optoelectronic performance of MoSi 2P 4 and SnS 2 van der Waals heterojunctions for efficient solar energy harvesting

　　

• •
  研究了 MoSi₂P₄/SnS₂ 异质结构的结构、稳定性、电子和光学性质。
• •
  在应变和电场下，II 型能带排列得以保持。
• •
  本征光电转换效率 (PCE) 从 17.2% 提升至 31.9%，通过电场调节实现。
• •
  应变有效地拓宽了光吸收光谱。

引言

能源短缺和环境问题是可持续发展的主要挑战。人工光合作用可以将太阳能转化为清洁、可用的能量 [1], [2]。它为应对这些挑战提供了一条有前景的途径，因此开发高效的太阳能技术至关重要。二维 (2D) 材料是一种新型低维材料。由于其特殊的表面化学性质、可调谐的性能和高电导率，它们引起了广泛关注。它们已经在电子设备、能源存储、传感器和光电子等领域显示出巨大的潜力 [3], [4], [5], [6], [7]。

近年来，原子级薄的过渡金属二硫化物 (TMDs) 因其独特性质以及在电子学和光学方面的前景而引起了大量的研究兴趣 [8], [9], [10], [11], [12]。二硫化锡 (SnS₂) 是一种 IV-VI 族材料。它具有三层结构：一层锡位于两层硫之间。2017 年，通过化学气相沉积 (CVD) 制备了大面积、原子级薄的 SnS₂ [11]。它表现出优异的性能，包括 2.6 eV 的间接带隙、超过 10⁶ 的开关电流比、5 μs 的快速光响应时间、100 A·W^?1 的响应度以及高于 230 cm²·V^?1·s^?1 的载流子迁移率 [13]。由于这些出色的电学和光学性质，SnS₂ 已被广泛应用于传感器、光电探测器、能源存储、场效应晶体管、光催化、光伏和光电催化领域。

2020 年，单层 MoSi₂N₄ 首次通过化学气相沉积制备 [14]。它具有七层 N-Si-N-Mo-N-Si-N 结构。这可以看作是一层 MoN₂（类似于 1H-MoS₂）放置在两层 InSe 型 Si₂N₂ 层之间。它是一种非磁性间接带隙半导体，带隙约为 1.94 eV，断裂强度约为 66 GPa，具有高载流子迁移率和非常优异的稳定性。它在空气、酸、碱和热水中保持完整。由于这些特性，MoSi₂N₄ 在纳米电子、光电子和压电电子领域具有吸引力 [15]。受此实验突破的启发，利用密度泛函理论计算预测了一个广泛的同构二维材料家族，统称为 MA₂Z₄ 家族，其中 M 代表过渡金属（例如，V, Nb, Ta, Cr, Mo, W），A = Si 或 Ge，Z = N, P 或 As [16], [17], [18], [19]。迄今为止，已理论鉴定了数百种此类单层化合物及其衍生结构。MA₂Z₄ 家族的另一个代表性成员 WSi₂N₄ 的成功合成，进一步验证了此类材料的实验可行性 [20]。第一性原理计算揭示了不同家族成员丰富多样的功能性质：值得注意的是，VSi₂P₄ 被预测为一种双极性磁性半导体，居里温度为 350 K，可实现室温自旋电子应用 [21]；MoSi₂P₄ 和 WSi₂P₄ 是直接带隙半导体，其吸收边延伸至近红外区域，与太阳光谱匹配良好，且其优异的载流子传输性能使其成为纳米电子、高效光电子和光伏应用的高度有前景的候选材料 [22], [23], [24]。总之，得益于卓越的环境稳定性、广泛可调的能带结构和良好的载流子传输性能，MA₂Z₄ 家族获得了越来越多的研究兴趣，并在涵盖光电子、能量转换和未来埃格斯特朗尺度 CMOS 技术的领域内展现出巨大的应用前景 [25], [26]。

构建二维范德华异质结构是推进太阳能相关光电子器件的有效途径 [27], [28], [29], [30]。与横向堆叠相比，通常更倾向于垂直堆叠，因为它更容易满足特定的性能需求。MoSi₂P₄ 和 SnS₂ 的六方单层具有合理匹配的晶格常数和关键点处相似的带隙值。这为形成高质量界面创造了理想条件。在本工作中，我们研究了在外加电场和机械应变下通过垂直堆叠这两种单层形成的 MoSi₂P₄/SnS₂ 异质结构。由于此前未报道过这种异质结构，研究其电子和光学性质非常重要。

章节摘要

计算方法

本研究中的所有计算工作均基于密度泛函理论 (DFT)，并使用 Device Studio 软件包进行，采用投影缀加平面波方法 (DS-PAW) 构建的赝势 [31], [32]。离子与电子之间的相互作用由 PAW 方法描述。为了获得可与未来实验可靠比较的准确带隙，本工作采用广义梯度近似内的 Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) 杂化泛函

MoSi₂P₄/SnS₂ vdWH 的几何和结构性质

首先，为了构建 MoSi₂P₄/SnS₂ 范德华异质结构的理论模型，我们分别优化了单层 MoSi₂P₄ 和单层 SnS₂ 的几何结构。它们的空间群分别为 $\mathrm{P}\bar{6}\mathrm{m}2$ 和 $\mathrm{P}\bar{3}\mathrm{m}1$，优化后的晶格常数分别为 3.47 ? 和 3.70 ?，层厚度分别为 9.37 ? 和 2.96 ?（见表 1）。这些结果与先前的报道吻合良好 [12], [42]。随后，将单层 SnS₂ 堆叠在 MoSi₂P₄ 表面上，以

结论

总之，我们利用第一性原理计算系统地研究了 II 型 MoSi₂P₄/SnS₂ 范德华异质结构的结构稳定性、电子结构和光伏性能。在室温下，它表现出优异的热力学和动力学稳定性，表明其潜在实验可行性。我们揭示了垂直电场和双轴应变的不同调制机制。垂直电场实现了单调、可逆

CRediT 作者贡献声明

Junhua Hao: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，研究，资金获取，形式分析，数据整理。 De-Long Zhang: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取，形式分析，构思。 Zhengjia Wang: 撰写 – 审阅与编辑，软件，资金获取，形式分析，构思。 Jing Zhang: 验证，研究。 Shuxin Chen: 验证，资金获取。 Yangyang Yu: 研究，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金重点项目 (批准号 12533013)、天津市自然科学基金 (批准号 23JCQNJC00990)、天津市装备设计与制造技术重点实验室开放基金、天津仁爱学院 - 天津大学教师发展基金会合作项目 (批准号 FZ25006) 以及中国博士后科学基金 (批准号 2024M752378) 的支持。

Junhua Hao|De-Long Zhang|Zhengjia Wang|Jing Zhang|Shuxin Chen|Yangyang Yu