增強二硫化鎢設備的內在光伏效應

基於二硫化鎢設備中發現的體光伏效應（BPVE），可進一步提升能源轉換率。傳統p-n結中的光伏效應--p型材料（有過量的空穴）與n型材料（有過量的電子）相鄰，通過光誘導的電子-空穴對的產生及分離進而產生電流。這種BPVE在能源應用上特別重要，其效率現在已近乎達到理論極限。

通過利用體光伏效應（BPVE），預計將取得進一步的效率提升，這種效應不需要結，只發生在具有破反轉對稱性的晶體中。然而，BPVE的實際應用因其在現有材料中的低效率而受到阻礙。有人提出，小尺寸或較小帶隙的半導體效率更高。過渡金屬二氯化物（TMDs）是典型的小帶隙二維半導體，通過打破其塊狀晶體固有的反轉對稱性，得到了各種效應。

近期的研究報告了在基於WS2（TMD家族的一個成員）的二硫化鎢設備中發現的體光伏效應（BPVE），系統地降低晶體對稱性，使其超出反轉對稱性--從二維單層到具有極性的納米管，大大增強了BPVE。這樣產生的光電流密度比其他BPVE材料大幾個數量級。我們的研究結果不僅強調了基於TMD的納米材料的潛力，而且更普遍地強調了晶體對稱性降低對提高太陽能轉化為電能的效率的重要性。

二硫化鎢（WS2）和其他VI-B組TMDs是二維半導體，其帶隙相對較小，為1.2-2.1 eV。在其最穩定的2H相中，大塊TMD的儲存格是中心對稱的，材料屬於D6h點群。然而，由於儲存格是由雙層組成的，只需隔離一個單獨的層，就有可能打破反轉對稱性。單層屬於非中心對稱性和非極性的D_3h點群。

在這樣的單層中，只要入射光線沿特定方向線性偏振，就可以出現BPVE--它將太陽能轉化為電能而不需要p-n結，而圓偏振光則不允許這樣做。當二維片的三重旋轉和鏡像對稱性被曲率或應變所消除時，無論其偏振特性如何，光都可以誘發BPVE。

研究人員研究了具有連續較低晶體對稱性的WS2裝置中的BPVE，即中心對稱的雙層、非中心對稱的非極性單層，最後是非中心對稱的極性納米管。後者是具有空心的多壁納米管，如代表性的透射電子顯微鏡（TEM）圖像所示。這些裝置有鉻和金電極。

參考文獻：Zhang Y J, Ideue T, Onga M, et al. Enhanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes[J]. Nature, 2019, 570(7761): 349-353.

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