增强二硫化钨设备的内在光伏效应

基于二硫化钨设备中发现的体光伏效应（BPVE），可进一步提升能源转换率。传统p-n结中的光伏效应--p型材料（有过量的空穴）与n型材料（有过量的电子）相邻，通过光诱导的电子-空穴对的产生及分离进而产生电流。这种BPVE在能源应用上特别重要，其效率现在已近乎达到理论极限。

通过利用体光伏效应（BPVE），预计将取得进一步的效率提升，这种效应不需要结，只发生在具有破反转对称性的晶体中。然而，BPVE的实际应用因其在现有材料中的低效率而受到阻碍。有人提出，小尺寸或较小带隙的半导体效率更高。过渡金属二氯化物（TMDs）是典型的小带隙二维半导体，通过打破其块状晶体固有的反转对称性，得到了各种效应。

近期的研究报告了在基于WS2（TMD家族的一个成员）的二硫化钨设备中发现的体光伏效应（BPVE），系统地降低晶体对称性，使其超出反转对称性--从二维单层到具有极性的纳米管，大大增强了BPVE。这样产生的光电流密度比其他BPVE材料大几个数量级。我们的研究结果不仅强调了基于TMD的纳米材料的潜力，而且更普遍地强调了晶体对称性降低对提高太阳能转化为电能的效率的重要性。

二硫化钨（WS2）和其他VI-B组TMDs是二维半导体，其带隙相对较小，为1.2-2.1 eV。在其最稳定的2H相中，大块TMD的单元格是中心对称的，材料属于D6h点群。然而，由于单元格是由双层组成的，只需隔离一个单独的层，就有可能打破反转对称性。单层属于非中心对称性和非极性的D_3h点群。

在这样的单层中，只要入射光线沿特定方向线性偏振，就可以出现BPVE--它将太阳能转化为电能而不需要p-n结，而圆偏振光则不允许这样做。当二维片的三重旋转和镜像对称性被曲率或应变所消除时，无论其偏振特性如何，光都可以诱发BPVE。

研究人员研究了具有连续较低晶体对称性的WS2装置中的BPVE，即中心对称的双层、非中心对称的非极性单层，最后是非中心对称的极性纳米管。后者是具有空心的多壁纳米管，如代表性的透射电子显微镜（TEM）图像所示。这些装置有铬和金电极。

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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