微电子所等在二维材料异质结构光电器件研究中取得进展
半导体光伏结构因其能够有效地将太阳能转化为电能，被认为是实现清洁能源的重要途径。然而早在1961年，美国科学家肖克莱、德国科学家凯赛尔便提出光伏单元的效率由于难以避免的损耗而存在理论极限。其中，由于光子吸收和再辐射导致的自发辐射损耗最为关键，这种损耗正比于自发辐射立体角和太阳光立体角的比值。太阳光的立体角仅为6x10-5球面度，而自发辐射的立体角为4π球面度。这种损耗使得传统光伏单元的开路电压降低300毫伏以上，极大降低了光伏单元的效率。 近年来，新兴的二维层状半导体材料因其可通过厚度变化调控能带结构，同时通过独特的范德瓦耳斯结构实现灵活的异质集成功能设计、构筑高效率的光伏单元，而成为当前的研究热点。其中的关键科学问题是如何有效控制自发辐射损失，从而提高光伏单元的光吸收效率。此外，基于二维材料异质结光伏单元的效率极限及其相比于传统半导体光伏结构是否有优势尚不明确。 针对上述问题，贵州民族大学教授刘江涛和中国科学院微电子研究所研究员吴振华开展了系列理论研究，提出了利用单层二硫化钼构筑准一维光子晶体结构实现光子局域态的方案，并通过转移矩阵方法证明了该结构的光发射和吸收效率较单层二硫化钼提升2~3个量级[Scientific Reports, 7:16391, (2017)]，证明了通过金属微腔可实现二维光伏单元的宽光谱增强吸收[Nanotechnology, 29:14401