論文題目：Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries

發(fā)表期刊：Nature Communications IF: 17.65

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

【引言】

光伏效應(yīng)作為一種重要的綠色環(huán)保能源收集手段，已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)PN結(jié)中的光電轉(zhuǎn)換效率受到Shockley-Queisser極限的限制，無(wú)法進(jìn)一步提高。因此，研究者將目光轉(zhuǎn)向了非中心對(duì)稱材料。在這種材料中，當(dāng)受到均勻光照，且無(wú)外接偏壓的條件下，就可以產(chǎn)生直流光電流。這種光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象由于只受到材料本征對(duì)稱性的影響，被稱為材料的本征光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)（IPVE）。由于材料本征的IPVE不受Shockley-Queisser極限的限制，為進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率提供了研究思路。

【成果簡(jiǎn)介】

2024年2月，南方科技大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3在光電轉(zhuǎn)化器件的制備及應(yīng)用等方面取得重要成果。作者利用ReS₂材料中一維范德華晶界（vdW GBs）制備了基于IPVE效應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，所制備出的光電轉(zhuǎn)換器件具有同類器件中最高的IPVE效率。此外，研究發(fā)現(xiàn)利用不受極化影響的門(mén)電極可對(duì)vdW GBs的IPVE轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行調(diào)節(jié)，更有利于能量的收集。相關(guān)工作以《Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries》為題，在SCI期刊《Nature Communications》上發(fā)表。

文中使用的小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3克服了傳統(tǒng)光刻工藝中需要掩膜版的難題，通過(guò)電腦控制DMD微鏡矩陣開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制，直接在光刻膠上曝光繪出所要的圖案。與此同時(shí)，該設(shè)備還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、直寫(xiě)速度高，高分辨率（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)，全自動(dòng)控制，可靠性高，操作簡(jiǎn)便。憑借這些優(yōu)勢(shì)，MicroWriter ML3為本研究光電器件的成功制備提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

圖1. 小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖2. ReS₂材料中vdW GBs的表征。（a）ReS₂材料的STEM和HAADF表征結(jié)果。（b）ReS₂材料中晶界的STEM和HAADF表征結(jié)果。（c）材料晶界附近的頂視示意圖。（d）和（e）材料極化和非極化條件下的光學(xué)表征結(jié)果。（f）材料的極化拉曼表征結(jié)果。

圖3. 在ReS₂晶界的IPVE效應(yīng)。（a）利用MicroWriter ML3無(wú)掩模光刻機(jī)制備的光電轉(zhuǎn)換器件。（b）沿y方向光電流在材料不同位置的測(cè)量。（c）掃描光電光譜儀對(duì)材料光電流的表征結(jié)果。（d）沿x方向光電流在材料不同位置的測(cè)量。(e)在晶界處的極化分辨光電流。(f)極化獨(dú)立項(xiàng)的空間分布。

圖4. 通過(guò)調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)ReS₂的IPVE轉(zhuǎn)換效率的調(diào)節(jié)。（a）利用MicroWriter ML3制備的光電轉(zhuǎn)換器件。（b）在不同電壓下，IPVE效應(yīng)所產(chǎn)生的光電流對(duì)應(yīng)的值。

圖5. 論文Supplementary Information中利用MicroWriter無(wú)掩模光刻機(jī)的所制備的光電器件。

【結(jié)論】

論文中，南方科技大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備了基于ReS₂一維vdW GBs的光電轉(zhuǎn)換器件。由于該器件利用了IPVE效應(yīng)，突破了傳統(tǒng)PN結(jié)中的Shockley-Queisser光電轉(zhuǎn)換極限。與同類器件相比，論文中所制備出的光電轉(zhuǎn)換效率也處于優(yōu)異水平。該工作不僅制備出高轉(zhuǎn)換效率的光電器件，還為光電轉(zhuǎn)換效率的提高打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。從論文中還可以看出，MicroWriter ML3無(wú)掩模光刻機(jī)得益于其強(qiáng)大的光刻和套刻能力，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)圖形的曝光，是各學(xué)科科研中制備各類微納器件的得力助手。

相關(guān)產(chǎn)品：

1、小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3