Högarbetsfunktion metall / kol nanorör / lågbearbetning metall hybridkorsning fotovoltaisk enhet | npg asia material

Högarbetsfunktion metall / kol nanorör / lågbearbetning metall hybridkorsning fotovoltaisk enhet | npg asia material

Anonim

ämnen

  • Elektroniska egenskaper och material
  • Elektronik, fotonik och enhetsfysik
  • Nanoskala enheter

Abstrakt

Fotovoltaiska enheter baserade på nanoteknologi har väckt mycket uppmärksamhet på grund av deras stora potential för tillämpning inom elektroniska och energifält. Här undersöktes en fotovoltaisk anordning baserad på en metallbearbetning av metall / enväggig kolnanorör (SWNT) / lågarbetsfunktion av metall-hybrid hybrid. I anordningen tillverkades asymmetriska metallelektroder (palladium och aluminium) på motsatta ändar av en enda halvledande SWNT, som användes som det ljuskänsliga materialet. Denna struktur gjorde det möjligt att generera ett starkt inbyggt elektriskt fält i SWNT för att effektivt separera fotogenererade elektronhålhål och uppnå god fotovoltaisk effekt. I mörker uppförde enheten sig som en grindberoende Schottky-diod och uppvisade de elektriska egenskaperna hos en likriktare. SWNT-diametern (bandgapet) visade sig ha en signifikant effekt på anordningens egenskaper. För anordningen tillverkad med en SWNT med en diameter på 1, 4 nm kan ett högt likriktningsförhållande (I framåt / I bakåt ) av> 10 3 uppnås i mörkret. Under monokromatisk belysning hade denna enhet en öppen kretsspänning på 0, 15 V och en hög kvanteffektivitet på ~ 75%.

Introduktion

Fotovoltaiska enheter har väckt mycket uppmärksamhet på grund av deras många applikationer inom elektroniska och energifält. De unika och utmärkta fysiska och mekaniska egenskaperna med enväggiga kolananorör (SWNT) gör dem till bra byggstenar för solcellsenheter. 1, 2 SWNT: er har ett direkt bandgap som ökar med minskande diameter, och de uppvisar stark fotoabsorption i det spektrala området från ultraviolett till infraröd. De har också en åtskild elektronisk delbandstruktur, som kan förhindra snabb avslappning av heta bärare, vilket gör att fler fotogenererade bärare kan samlas in av elektroderna. Dessutom har idealiska SWNT: er felfria strukturer och kan starkt hämma rekombinationen av fotogenererade elektronhålhål. Dessutom uppvisar de hög bärarmobilitet och god mekanisk styrka. SWNT: er har använts i vissa fotovoltaiska anordningar, såsom organiska solceller 3, 4 och färgämnesensibiliserade solceller 5, 6 för att förbättra den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten. I dessa enheter fungerade emellertid SWNT endast som det ledande materialet eller som den transparenta elektroden som ledde eller samlade de fotogenererade laddningsbärarna. Effektomvandlingseffektiviteten för dessa celler var låg (~ 0, 11%) 3 eller förbättrades endast något jämfört med de traditionella cellerna utan SWNT: er. 5, 6 För att fullt ut utnyttja SWNT: s egenskaper och producera högpresterande fotovoltaiska enheter är det önskvärt att använda SWNT: er som det fotokänsliga materialet i enheten.

För att uppnå en fotovoltaisk effekt måste en fotovoltaisk anordning ha ett starkt inbyggt elektriskt fält för att separera fotogenererade elektronhålhål. Metoder som har använts för att generera ett inbyggt elektriskt fält inom SWNT-baserade fotovoltaikanordningar inkluderar delade grindar, 7 kemisk doping 8, 9 och intramolekylära korsningar. 10 Eftersom SWNT: er har helt mättade ytbindningar och inga gränssnittstillstånd, sker inte Fermi-nivå-fästning vid SWNT / metallkontaktgränssnittet. Följaktligen är ett lovande sätt att inducera ett inbyggt elektriskt fält i en SWNT att kontakta SWNT med metaller som har olika arbetsfunktioner. Inte bara innebär denna metod relativt enkla tillverkningsprocesser, utan den resulterar också i tillverkade anordningar med hög driftsstabilitet.

Här undersöktes en fotovoltaisk anordning baserad på en metallbearbetning av metall / enkel SWNT / lågfunktionsmetallkonfiguration. I denna anordning tillverkades Pd- och Al-kontakter på motsatta ändar av en enda SWNT för att bilda pottyp respektive n-typ Schottky-kontakter, vilket resulterade i ett starkt inbyggt elektriskt fält inom SWNT. Den konstruerade anordningen uppvisade utmärkta likriktningsegenskaper med ett högt likriktningsförhållande> 10 3 och fungerade som en inställbar Schottky-diod i mörkret. Under monokromatisk belysning med en 1550-nm laser med en intensitet av ~ 4, 8 W cm −2 hade enheten en effektomvandlingseffektivitet på ~ 5% och en hög kvanteffektivitet på ~ 75%. Bandgapbredden påverkade prestandan för denna fotovoltaikanordning avsevärt.

Experimentell procedur

Beredning av den halvledande SWNT-lösningen

Den halvledande SWNT-lösningen (halvledarrenhet ~ 98%) framställdes med en ultracentrifugeringsmetod med densitetsgradient med användning av P2-SWNT: er (Carbon Solutions, Inc., Riverside, CA, USA). 11, 12 SWNT: er (5 mg ml- l ) sonikerades i en 2% -ig vattenlösning av natriumcholat (SC) i en horns sonikator vid 8 W under 1 timme. SWNT-suspensionen centrifugerades därefter vid 13 000 rpm under 10 minuter för att avlägsna stora SWNT-buntar eller partiklar. Därefter justerades ytaktiva koncentrationer i den resulterande SWNT-lösningen till 0, 8% (vikt / volym) SC och 0, 2% (vikt / volym) natriumdodecylsulfat. En linjär gradienttillverkare användes för att framställa en densitetsgradient i centrifugröret med en linjär jodixanolkoncentrationsgradient från 15% överst till 30% i botten, samtidigt som jämna ytaktiva koncentrationer upprätthölls av 0, 8% (vikt / volym) SC och 0, 2 % (vikt / volym) natriumdodecylsulfat. SWNT-lösningen med samma SC- och natriumdodecylsulfatkoncentrationer infördes under gradienten där jodixanol-koncentrationen var 34%. Resten av centrifugröret fylldes med ett överlager bestående av 0, 8% (vikt / volym) SC och 0, 2% (vikt / volym) natriumdodecylsulfat (ingen jodixanol). Den resulterande gradientlösningen centrifugerades vid 31 000 rpm under 20 timmar. Därefter extraherades fraktionerna i centrifugröret med en fraktionator. Slutligen dialyserades fraktionerna för att erhålla SWNT-lösningar med 1% SC. Den anrikade halvledande SWNT-fraktionen med ett SWNT-diameterintervall på 1, 2–2, 1 nm identifierades för senare anordningstillverkningar genom att mäta det ultravioletta synliga-nära-infraröda absorptionsspektrumet för varje fraktion.

Ljusabsorptionsmätningar av SWNT: er

De ultravioletta-synliga-nära-infraröda absorptionsspektra för SWNT: erna mättes med användning av en Lambda 950 UV / Vis / NIR-spektrometer (PerkinElmer, Waltham, MA, USA). Den vattenhaltiga SWNT-lösningen med 1% SC användes för mätningen, och rent vatten med 1% SC användes som referenslösning.

Raman karakterisering av SWNTs

Raman-spektra för de beredda SWNT: erna samlades med användning av en SENTERRA R200 konfokal Raman-spektrometer (Bruker, Ettlingen, Tyskland). Proverna exciterades av 532-nm- och 633-nm-lasrar. SWNT-lösningen laddades i ett kapillärrör för mätningarna.

Tillverkning av solcellsenheter

Den halvledande SWNT-lösningen användes för att konstruera den fotovoltaiska anordningen. Substratet bestod av en kraftigt n-dopad kiselskiva med ett 450 nm tjockt termiskt oxidskikt. Efter avlägsnande av Si02-skiktet från den opolerade (bakre) sidan av kiselskivan med användning av en HF-buffertlösning (28 ml HF, 113 g NH4F, 170 ml H20, pH 6), en Au-film (200-nm) tjockt) sputterades på baksidan av kiselskivan för att bilda en god kontakt på kiselsubstratet för att fungera som den bakre grinden. Sedan förmönstrades Au-markörer för användning av mönsteröverlägget i e-strållitografi på den polerade sidan av kiselskivan med användning av standard UV-litografi. Kiselsubstratet skars därefter i små fyrkantiga flis (1, 5 cm x 1, 5 cm) för ytterligare tillverkning av anordningen.

Anordningarna tillverkades enligt processen som visas i kompletterande figur S1. Först dispergerades SWNTs på kiselchipet genom att rotera en 7: 1-isopropanol: vattenlösning av SWNTs (5 μg ml −1 ) på den. Individuella SWNT: er med olika diametrar identifierades med atomkraftsmikroskopi (AFM) och användes för att tillverka anordningar. Proverna ansågs vara individuella SWNTs när SWNT-höjden var mindre än 2, 3 nm. Sedan tillverkades Pd- och Al-elektroder (~ 100-nm tjocka) på motsatta ändar av SWNT genom elektronstrållitografi och lyftprocesser för att bilda asymmetriska kontakter. Slutligen härdades anordningarna vid 200 ° C under 20 minuter under vakuum (~ 0, 1 Pa) för att förbättra SWNT / metallkontakterna.

AFM-karakterisering av enheterna

En multimode NanoScope IIIa AFM (Digital Instruments, Santa Barbara, CA, USA) användes för att få bilder av enheterna och för att mäta SWNT-diametrar. Kommersiella AFM-tips (resonansfrekvens f 0 = 150 kHz, kraftkonstant k = 7 N m −1, 7 nm spets, AppNano, Mountain View, CA, USA) användes. AFM kördes i tappningsläge. SWNT-diametrarna bestämdes genom att mäta deras höjder och subtrahera van der Waals-separationen mellan SWNT och substratet (ungefär 0, 3 nm) från dem.

Elektriska mätningar av enheterna

De elektriska mätningarna utfördes vid rumstemperatur med användning av en Agilent 4156C precision halvledarparameteranalysator (Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA). De optiska mätningarna utfördes genom att bestråla provet med en 1550 nm laserstråle med en diameter av ~ 9 um (överföring via en optisk fiber). En synlig 633-nm-laser användes för att förfokusera strålen på enhetens funktionella område för efterföljande bestrålning med 1550-nm-lasern.

Resultat och diskussion

Den halvledande vattenhaltiga SWNT-lösningen, som uppvisar goda ljusabsorptionsegenskaper, framställdes med täthetsgradientens ultracentrifugeringsmetod. Såsom visas i figur la observerades absorptionstoppar vid ungefär 500, 1000 och 1750 nm i SWNT-ljusabsorptionsspektrumet och tillskrivades ljusabsorptionen av den tredje (S 33 ), den andra (S 22 ) och den första (S 11 ) elektroniska underband av de halvledande SWNT: erna. M11-toppen vid 600–800 nm, vilket motsvarar metalliska SWNT: er och observerades för den rå osorterade P2-SWNT-lösningen, var nästan frånvarande från spektrumet för den beredda SWNT-lösningen (figur 1a). Renheten för halvledande SWNT i lösningen uppskattades till ~ 98% genom att jämföra deras absorptionsspektrum med det för nanorören som användes i studien av Engel et al. 13 SWNT: erna uppskattades ha diametrar i intervallet 1, 2–2, 1 nm.

Image

( a ) Absorptionsspektrum för SWNT: er som används i denna studie. ( b ) Ramanspektrum för SWNT: er uppmätt med användning av en 532-nm laser som excitationskälla. Insatsen visar SWNT: s radiella andningsläge i lågfrekvensområdet. ( c ) Schematiskt en fotovoltaisk enhet baserad på en enda SWNT med asymmetriska metallkontakter. ( d ) Skanna elektronmikroskopbild av en representativ fotovoltaisk enhet.

Bild i full storlek

I Raman-spektrumet för SWNT: erna observerades ett skarpt G-band (figur Ib), och G-band / D-bandets intensitetsförhållande var> 50, vilket indikerar att antalet defekter i SWNT: erna var mycket litet. SWNT-diametrarna kan beräknas utifrån frekvensen för radiell andningsläge i Raman-spektrumet (inlägg i figur 1b, kompletterande figur S2) med hjälp av följande ekvation. 14

Image

där ω RBM är frekvensen i vågorna i det radiella andningsläget i Ramanspektrum. Diametrarområdet beräknat från det radiella andningsläget (1, 2–2, 1 nm) var det som erhölls från ljusabsorptionsmätningen.

Med användning av de beredda SWNT: erna tillverkades fotovoltaiska anordningar med asymmetriska metallkontakter som visas i figur 1c. Pd- och Al-kontakterna tillverkade på motsatta ändar av de enskilda SWNT: erna fungerade som respektive dränerings- och källelektroder. Kiselsubstratet med Au-filmen användes som bakgrinden för att ställa in enheterna. Gapet mellan de två metallkontakterna var i storleksordningen ~ 1, 0 μm. SWNT-diametrarna bestämdes genom AFM-mätningar av deras höjder. Den starka van der Waals-kraften mellan SWNT och underlaget förhindrade SWNT: s rörelse under AFM-mätningen. På basis av SWNT-diameterintervallet och van der Waals-separationen mellan SWNT och underlaget (ungefär 0, 3 nm), 15, 16 antogs det att varje anordning bestod av en enda SWNT, inte ett SWNT-bunt, när AFM-höjden var mindre än 2, 3 nm.

Figur 2a visar de typiska IV-egenskaperna hos en anordning tillverkad av en SWNT med en diameter av 1, 6 nm och en kanallängd av ~ 1, 2 μm (se figur 1d). Denna anordning uppvisade diodliknande elektrisk likriktningsbeteende i mörkret, det vill säga ledning under en förspänning framåt och blockering under en omvänd förspänning. Under förspänningsförhållanden ökade enhetens dränerings-till-källström (I ds ) avsevärt när grindspänningen ( Vg ) minskade från +15 V till −15 V (figur 2a och b). I framåt / I-bakåtförhållandet kan ställas in från 10 till mer än 500 genom att ändra grindspänningen (figur 2b). Det diodliknande likriktningsbeteendet för anordningen tillskrivs bildningen av asymmetriska Schottky-barriärer vid de två SWNT / metallkontakterna. Pd har en hög arbetsfunktion (5, 12 eV) och dess Fermi-nivå tros ligga högst upp i SWNT-valensbandet. 17, 18 Al har däremot en arbetsfunktion på 4, 2 eV, och dess Fermi-nivå är något lägre än undersidan av SWNT-ledningsbandet. 18 Som ett resultat bildades en ohmisk kontakt av p-typ och Schottky-kontakt av n-typen vid PN respektive Al-ändarna av SWNT, och ett inbyggt elektriskt fält inducerades efter jämvikt på grund av de olika energinivåjusteringarna vid kontakterna Pd / SWNT och Al / SWNT. Bildningen av olika kontakttyper vid SWNT-ändarna demonstrerades också genom p-typ- eller n-typ-fälteffekttransistorbeteende som uppvisades av SWNTs med symmetriska Pd- eller Al-kontakter, respektive (kompletterande figur S3). När en främre förspänning applicerades, kunde hålen och elektronen enkelt passera genom Pd / SWNT respektive Al / SWNT-gränssnitten (figur 2c), vilket genererar en stor framström. När en omvänd förspänning applicerades förhindrade de höga barriärerna vid Al / SWNT- och Pd / SWNT-kontakterna hålen och elektronerna från att gå in i SWNT-kanalen (figur 2d), och således blockerades strömmen under omvänd förspänningsförhållanden.

Image

( a ) Elektriska egenskaper hos en anordning med asymmetriska metallkontakter, som visar korrektionsbeteendet. ( b ) Överför enhetens egenskaper under framåt (3 V) och bakåt (−3 V) förspänningsförhållanden (vänster vertikal koordinat). Den streckade linjen visar enhetens korrigeringsförhållande vid V ds = ± 3 V som en funktion av Vg (höger vertikal koordinat). ( c ) och ( d ) Banddiagram över anordningen under framåt- och bakåtförspänningsförhållanden.

Bild i full storlek

För att bestämma grindspänningen som krävs för att uppnå högsta möjliga korrigeringsförhållande undersöktes enhetens överföringsegenskaper vid V ds = 3, 0 V och −3, 0 V (figur 2b). Både fram- och bakströmmarna ändrades när grindspänningen som applicerades på enheten varierades. Detta resultat tillskrivs det faktum att den effektiva Schottky-barriärhöjden vid SWNT / metallgränssnittet kan ändras genom att ändra grindspänningen. För anordningen tillverkad med en 1, 6-nm diameter SWNT som visas i figur 1d, uppnåddes det högsta korrigeringsförhållandet 540 vid en grindförspänning på ungefär 6, 0 V (figur 2b). Det högsta korrigeringsförhållandet kan uppnås vid en lämplig grindförspänning på grund av anordningens bandstruktur. Såsom visas i figur 2c sänker man under framåtförspänningsförhållanden, minskade grindförspänningen den effektiva hålet Schottky-barriärhöjd vid Pd / SWNT-kontakten, vilket resulterade i en snabb ökning av framströmmen. Under omvända förspänningsförhållanden var förändringarna i det effektiva hålet och elektronbarriärhöjderna små jämfört med deras initiala Schottky-barriärer när en relativt liten negativ grindförspänning applicerades (figur 2d). Därför observerades endast en liten förändring i omvänd ström. Således, när den applicerade negativa grindförspänningen var liten, ökade korrigeringsförhållandet med minskande grindförspänning. Men när grindförspänningen minskades ytterligare blev hål Schottky-barriären vid Al / SWNT-kontakten tillräckligt tunn för att tillåta sannolikheten för att hålen som tunnlar genom barriären ökar snabbt (figur 2d). Sedan ökade den omvända strömmen snabbare än framströmmen och likriktningsförhållandet minskade i enlighet därmed.

För att bestämma effekten av SWNT-bandgapet på enhetens prestanda tillverkades enheter med hjälp av SWNT: er med olika diametrar och samma kanallängd (~ 1, 0 μm), och deras prestanda jämfördes. Figurerna 3a och c visar AFM-bilderna av anordningarna tillverkade med SWNT: er med diametrar 1, 4, 1, 8 och 2, 0 nm (skanningselektronmikroskopbilderna av dessa anordningar visas i tilläggsfigur S4). Bandgaparna för dessa SWNT: er uppskattades till respektive 0, 60, 0, 47 respektive 0, 42 eV med användning av följande ekvation. 19

Image

AFM-bilder av enheterna tillverkade med SWNT: er med diametrar på ( a ) 1, 4 nm, ( b ) 1, 8 nm och ( c ) 2, 0 nm. ( d ) Elektriska egenskaper hos enheterna med SWNT-diametrar på 1, 4, 1, 8 och 2, 0 nm vid Vg = −8, 0 V, −4, 0 V respektive −1, 5 V. Insats: förstoring av det omvända förspänningsområdet. ( e ) Energibanddiagram över enheten vid jämvikt. SWNT-bandgaparna i topp- och bottenplotterna är 0, 60 respektive 0, 42 eV.

Bild i full storlek

Image

där d är SWNT-diametern. I ds −V ds- kurvorna med det högsta korrigeringsförhållandet för varje enhet visas i figur 3d. De högsta korrigeringsförhållandena erhölls vid Vg = -8, 0 V, -4, 0 V och -1, 5 V för enheter med SWNT-diametrar på respektive 1, 4, 1, 8 och 2, 0 nm. Såsom visas i figurerna 3d genererade enheten med den större SWNT-diametern för en given Vds den större kanalströmmen under både framåt- och bakåtförspänningsförhållanden. Utjämningsförhållandena var ~ 1012, 818 och 706 för enheterna med SWNT-diametrar på 1, 4, 1, 8 respektive 2, 0 nm. Således uppvisade anordningen med den mindre SWNT bättre förbättringsprestanda, vilket indikerar att den hade ett starkare inbyggt elektriskt fält, vilket skulle förbättra den fotovoltaiska effekten av anordningen. Som illustreras i figur 3e, trots skillnaden i SWNT-bandgaparna (SWNT-bandgapet i toppanordningen i figur 3e var större än i bottenanordningen), låg Pd Fermi-nivån högst upp på SWNT-valensbandet och Al Fermi-nivån var något lägre än botten av SWNT-ledningsbandet. Således förväntas en anordning tillverkad med en SWNT med ett större bandgap ha ett starkare inbyggt elektriskt fält vid jämvikt på grund av den större skillnaden mellan Fermi-nivåerna för de två metallkontakterna i den anordningen.

Med tanke på att den starkaste optiska absorptionen observerades för SWNT S 11- bandet användes en 1550-nm laser (E foton = 0, 80 eV) för att mäta den fotovoltaiska prestanda hos de tillverkade anordningarna. En optisk bild av en anordning under laserbelysning visas i figur 4a. Händelselaserns intensitet var cirka 4, 8 W cm −2 . Under belysning producerade enheterna en fotogenererad kortslutningsström (I sc ) vid V ds = 0 V som var motsatt i riktning mot framströmmen (figur 4b). När förspänningen var lika med öppen kretsspänningen (V oc ), var den främre förspänningsströmmen densamma som fotströmmen, och enhetsströmmen var lika med 0 A. SWNT PV-anordningens fysik illustreras av dess energi banddiagram som visas i figur 4c. När Pd- och Al-kontakter placerades på motsatta ändar av SWNT orsakade deras olika energinivåjusteringar med SWNT SWNT-energibandet att böjas. Således bildades ett starkt inbyggt elektriskt fält över hela SWNT-kanalen vid V ds = 0 V. Det starka inbyggda elektriska fältet separerar effektivt de fotogenererade elektronhålparen för att uppnå en god fotovoltaisk effekt.

Image

( a ) Optisk bild av den fotovoltaiska enheten. Den ljusa fläcken på enheten är från 633-nm-lasern, som användes för att förfokusera laserstrålen på enhetens funktionella område för 1550-nm-lasern. ( b ) Fjärde kvadrant av I – V-kurvorna för de tre enheterna under belysning med 1550-nm-lasern vid 4, 8 W cm −2 . ( c ) Banddiagram över den fotovoltaiska anordningen som visar generering och separering av elektronhålhål. ( d ) Motsvarande kraftproduktion (effekt = I ds × V ds ) beräknad från fjärde kvadrant I – V-kurvorna som en funktion av dräneringskällförspänningen (V ds ) för dessa tre enheter. ( e ) Kortslutningsström (×, vänster vertikal koordinat) och maximal effektutgång (+, höger vertikal koordinat) för de fotovoltaiska enheterna som en funktion av E- foton / E- gap .

Bild i full storlek

Såsom visas i figur 4b var de fotovoltaiska svaren hos anordningarna konstruerade med SWNT: er med olika diametrar olika. Den fotogenererade strömmen och spänningen ökade när SWNT-diametern minskade. För enheten med en SWNT-diameter på ~ 2, 0 nm var I sc och V oc 2, 89 pA respektive 0, 015 V. När SWNT-diametern minskades till 1, 8 nm, var den fotogenererade strömmen 5, 12 pA, och spänningen var 0, 045 V. För anordningen med en 1, 4 nm diameter SWNT uppnåddes strömmen av ~ 12, 97 pA och spänningen på ~ 0, 15 V .

Figur 4d visar kraftproduktionskurvorna för dessa tre enheter. Från dessa kurvor bestämdes de genererade maximala krafterna ( Pmax ) till 0, 63 pW, 0, 06 pW och 0, 01 pW för SWNT med diametrar 1, 4, 1, 8 respektive 2, 0 nm. Uppenbarligen tillät en mindre SWNT-diameter anordningen att reagera på laserbelysning mer intensivt och generera en större uteffekt. Skillnaden i fotovoltaiska prestanda för de olika enheterna tillskrivs SWNT: s större bandgap (E- spalt ) med mindre diametrar, som är närmare fotonenergin (E- foton ) i den bestrålande lasern och den starkare inbyggda elektriskt fält i enheterna med mindre SWNT: er. När E- foton > E- mellanrummet minskar E- mellanrummet (det vill säga öka SWNT-diametern) minskar det elektron-fotonspridande tvärsnittet, vilket resulterar i en exponentiell minskning av sannolikheten för elektronhålgen trots en liten linjär ökning av ljusabsorptionen område. Följaktligen minskade både I sc och P max markant med ökande SWNT-diameter. Beroendet av I sc och Pmax på E- foton / E- spalten visas i figur 4e. Både I sc och P max minskade exponentiellt när E photon / E gap ökade när E photon > E gap .

De inneboende effektomvandlingseffektiviteten (η) för de fotovoltaiska anordningarna beräknades med användning av följande ekvation.

Image

där I m och V m är utgångsströmmen respektive spänningen vid den maximala fotogenererade effekten; FF är påfyllningsfaktorn och indikerar den kraftöverföringsförmåga för den fotovoltaiska enheten; och P op är den absorberade optiska kraften hos SWNT. För anordningen med SWNT med en diameter på 1, 4 nm, bestämdes Vm och I m vid den maximala fotogenererade effekten till att vara 0, 088 V respektive −7, 7 pA från figur 4d. Således uppskattades anordningen FF till 0, 35 på grundval av ekvation (3). P op- värdet kan uppskattas med hjälp av en elektromagnetisk spridningsmodell, 20 som antyder att mängden absorberad optisk effekt är proportionell mot dielektrisk konstant (ɛ) och kvadrat av SWNT: s diameter. För SWNT med en diameter på 1, 4 nm uppskattades den dielektriska konstanten till 70 + 70i. 20, 21 Under monokromatisk bestrålning beräknades SWNT: s op på enheten i enheten till cirka 13, 0 pW. Således beräknades η till ~ 5% för den här enheten.

En annan fördel för detta system är kvantverkningsgraden, som kan uttryckas som

Image

där I ph är den fotogenererade kortslutningsströmmen, e är elektronladdningen, h är Plancks konstant och v är fotonfrekvensen. För anordningen med SWNT med en diameter på 1, 4 nm var I ph 12, 97 pA och a beräknades vara så hög som ~ 75%.

Fotoresponsiviteten (I sc / P in ) för anordningen med SWNT med en diameter på 1, 4 nm beräknades vara 193, 0 mA W −1 . Här uppskattades P in genom att anta att tvärsnittsarean av SWNT vinkelrätt mot infallande ljus var det effektiva området för SWNT PV-anordningen.

De höga η- och α-värdena tillskrivs det starka inbyggda elektriska fältet över hela SWNT. Eftersom grindoxidskikttjockleken (450 nm) i de tillverkade anordningarna var i storleksordningen av SWNT-kanallängden (1000 nm) och grinden och kanalen var svagt kopplade, sträckte sig SWNT-bandets böjning in i centrum av enheten. 22, 23, 24 Eftersom Fermi-nivåfästning inte inträffade vid metall-nanorörskontakter, användningen av högarbetsfunktion (Pd) och lågarbetsfunktion (Al) metaller eftersom kontaktmetallerna tillät hela SWNT-bandgapet för att användas effektivt. Således bildades ett starkt inbyggt elektriskt fält över hela SWNT-kanalen i denna anordning, vilket resulterade i effektiv bärarseparation.

Slutsatser

Fotovoltaiska anordningar baserade på en metallbearbetnings- / SWNT / lågarbetsfunktion av metall med hög arbetsfunktion undersöktes. I mörkret uppvisade enheten diodliknande elektriskt beteende med ett högt likriktningsförhållande av> 10 3 . Under monokromatisk belysning uppvisade anordningen en god fotovoltaisk effekt. En effektomvandlingseffektivitet på 5% och en hög kvanteffektivitet på upp till ~ 75% uppnåddes. Dessutom ökade I sc och P max markant när E foton / E gap minskade när E foton > E gap . Prestandan för den fotovoltaiska enheten kan förbättras ytterligare genom att använda en SWNT med ett större bandgap, optimera SWNT-kanallängden och använda en lämplig excitationskälla som matchar SWNT-bandgapet. Denna studie visar att SWNT: er har stor potential att användas som ljuskänsliga material i fotovoltaikanordningarna.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

    Kompletterande information åtföljer uppsatsen på NPG Asia Materials webbplats (//www.nature.com/am)