WS2納米管裝置的光伏效應

無論在品質或者數量上，WS2納米管裝置中的體光伏效應（bulk photovoltaic effect, BPVE）都相當穩定。隨著溫度的降低，短路電流（short-circuit current, I_sc）會大幅下降，這不能簡單地用吸收係數的減小來解釋，因為隨著溫度的降低，帶隙會發生藍移。

波長為632.8納米（1.96eV）的光與WS2的A-激子（一個電子和一個空穴的特定結合狀態）發生共振，會產生最強的信號。根據對資料進行線性擬合後推斷，在功率制度為10 W cm^-2的情況下，外部量子效率高達1.3%。在730納米（1.70eV）的波長下，仍有一個較弱的光伏效應。

現在，光子只能通過間接間隙（1.45 eV，或波長855 nm）激發載流子，大約60%的太陽電磁波譜（1.45 eV以上的光子能量）可以被利用，將入射能量轉化為電能。這並不依賴於WS2納米管和金屬接觸介面的肖特基勢壘光伏效應。這種效應可以保持線性，功率甚至高達5 × 10³ W.cm^-2。

在二維TMD中，傾斜入射可能產生光電效應和光子拖曳效應（drag effects）。然而，儘管這些在WS₂納米管中也存在，但它們只起了很小的作用。另外，如果光載體的產生是不均勻的，可能會出現淨丹伯效應（Dember effect）。儘管有一些不均勻性，用WS₂納米管得到的結果在品質上和數量上都不符合這一機制。如果不均勻性伴隨著應變變化，所謂的柔性光電效應可能會出現並誘發BPVE。

然而，從線性依賴到方根依賴的交叉中，我們發現了BPVE的一個不同來源。在已經提出的許多物理機制中，“移位元電流”模型可能適用於WS₂納米管裝置，因為該模型確實預測了功率依賴性交叉是由載流子激發的飽和引起的一般特徵。當有非零電子自發極化時，移位電流源於布洛赫函數的貝裡連接。鑒於電子自發極化在異極性納米管中是非零的，移位電流在WS₂納米管中確實可能是活躍的，這就可以解釋上述觀察到的BPVE。

對於由異極性材料製成的管狀結構，已經提出了一個更具體的、定性的移位元電流模型；在這個模型中，移位元電流是由佔據K和K′穀的載流子產生的，通過在管的圓周上的動量量化。因為這些谷地可以通過使用圓偏振光有選擇地解決，移位電流應該在扭轉圓偏振的方向時發生變化。

由納米管的彎曲性質引起的對稱性降低是一個關鍵因素。然而，移位元電流模型只考慮了其哈密頓中動量子化的後果，這是不充分的，因為曲率可以誘發許多其他效應，包括有效磁場、帶間自旋-晶格耦合和布洛赫帶的軌道組成的變化。

因此，需要進一步的理論考慮，包括其他與曲率有關的因素，以澄清WS2納米管中BPVE的具體來源。最後，研究人員將納米管中的BPVE與鐵電體材料的BPVE進行了強度比較。需要注意的是，為了計算WS₂納米管裝置中的jsc，研究人員假設了一個固體圓柱形截面，而不是一個空心管。

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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