WS2纳米管装置的光伏效应

无论在质量或者数量上，WS₂纳米管装置中的体光伏效应（bulk photovoltaic effect, BPVE）都相当稳定。随着温度的降低，短路电流（short-circuit current, I_sc）会大幅下降，这不能简单地用吸收系数的减小来解释，因为随着温度的降低，带隙会发生蓝移。

波长为632.8纳米（1.96eV）的光与WS₂的A-激子（一个电子和一个空穴的特定结合状态）发生共振，会产生最强的信号。根据对数据进行线性拟合后推断，在功率制度为10 W cm^-2的情况下，外部量子效率高达1.3%。在730纳米（1.70eV）的波长下，仍有一个较弱的光伏效应。

现在，光子只能通过间接间隙（1.45 eV，或波长855 nm）激发载流子，大约60%的太阳电磁波谱（1.45 eV以上的光子能量）可以被利用，将入射能量转化为电能。这并不依赖于WS₂纳米管和金属接触界面的肖特基势垒光伏效应。这种效应可以保持线性，功率甚至高达5 × 103 W.cm^-2。

在二维TMD中，倾斜入射可能产生光电效应和光子拖曳效应（drag effects）。然而，尽管这些在WS₂纳米管中也存在，但它们只起了很小的作用。另外，如果光载体的产生是不均匀的，可能会出现净丹伯效应（Dember effect）。尽管有一些不均匀性，用WS₂纳米管得到的结果在质量上和数量上都不符合这一机制。如果不均匀性伴随着应变变化，所谓的柔性光电效应可能会出现并诱发BPVE。

然而，从线性依赖到方根依赖的交叉中，我们发现了BPVE的一个不同来源。在已经提出的许多物理机制中，“移位电流”模型可能适用于WS₂纳米管装置，因为该模型确实预测了功率依赖性交叉是由载流子激发的饱和引起的一般特征。当有非零电子自发极化时，移位电流源于布洛赫函数的贝里连接。鉴于电子自发极化在异极性纳米管中是非零的，移位电流在WS₂纳米管中确实可能是活跃的，这就可以解释上述观察到的BPVE。

对于由异极性材料制成的管状结构，已经提出了一个更具体的、定性的移位电流模型；在这个模型中，移位电流是由占据K和K′谷的载流子产生的，通过在管的圆周上的动量量化。因为这些谷地可以通过使用圆偏振光有选择地解决，移位电流应该在扭转圆偏振的方向时发生变化。

由纳米管的弯曲性质引起的对称性降低是一个关键因素。然而，移位电流模型只考虑了其哈密顿中动量子化的后果，这是不充分的，因为曲率可以诱发许多其他效应，包括有效磁场、带间自旋-晶格耦合和布洛赫带的轨道组成的变化。

因此，需要进一步的理论考虑，包括其他与曲率有关的因素，以澄清WS2纳米管中BPVE的具体来源。最后，研究人员将纳米管中的BPVE与铁电体材料的BPVE进行了强度比较。需要注意的是，为了计算WS2纳米管装置中的jsc，研究人员假设了一个固体圆柱形截面，而不是一个空心管。

参考文献：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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