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通过微调褶皱硫化镉单层界面间的物理特性，以实现超高压电性、激子太阳能电池效率及热电性能
摘要： 异质结构界面在不同应用中常被研究。有趣的是，同种材料单层以非常规方式堆叠可产生新奇特性。例如研究发现，特定顺序堆叠的CdS单层在将纳米机械能、太阳能和废热转化为电能方面展现出前所未有的潜力，本研究采用基于密度泛函理论的方法对此进行了系统探究。此外，兼具稳定性和强大多能转换能力的超薄结构十分稀缺。弯曲结构中对称性破缺诱导产生的超高面外压电性（|d33|~56 pm/V）超越了先前报道的纤锌矿型GaN、AlN及Mo/W基双硫族化合物Janus多层结构。压电系数主要取决于两层间的相对堆叠方式。 CdS双层是带边跨越水氧化还原电位的直接带隙半导体，因而具有光催化应用的热力学优势。应变工程使其在覆盖于磷化硼单层的CdS双层中从I型转变为II型半导体，理论计算显示该二维激子太阳能电池在填充因子0.8时的功率转换效率（PCE）超过27%，远高于ZnO/CdS/CuInGaSe太阳能电池（20%效率）。通过结合形变势理论的恒定弛豫时间近似下电子/声子半经典玻尔兹曼输运方程研究发现：由于重元素Cd的存在、强非谐性（长波声子高格林艾森参数、声子寿命<5皮秒）、低声子群速度（4 km/s）及低德拜温度（260 K），室温热导率极低（~0.78 Wm-1K-1），低于哑铃硅烯（2.86）、SnS2（6.41）、SnSe2（3.82）和SnP3（4.97 Wm-1K-1）。CdS双层在p型和n型掺杂下分别呈现~0.8和~0.7的室温热电优值（ZT），其超高载流子迁移率（μe~2270 cm2V-1s-1）高于单层MoS2并与InSe相当。第一性原理分子动力学模拟、声子色散及Born-Huang稳定性准则验证的全方位稳定性，连同这些优异特性，凸显了CdS双层在下一代纳米电子器件和能量收集领域应用的卓越潜力。
关键词： 功率转换效率、激子太阳能电池、压电性、光催化、太阳能、半导体、热电性、载流子迁移率
更新于2025-09-23 15:21:01
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将单磷化硼与二硫化钼界面结合，以实现热电材料、二维激子太阳能电池和纳米压电电子学的超高性能源自
摘要： 基于新近合成的单磷化硼（BP）和广泛研究的二硫化钼（MoS2）构建的稳定超薄二维范德华异质双层，已被系统研究用于废热、太阳能及纳米机械能向电能的转化。该材料在800K温度下呈现巨大优值系数（ZT）>12（4）（p型/n型掺杂），创下迄今报道最高值。室温（300K）时p/n型掺杂的ZT分别达1.1（0.3），与PbTe-PbSnS2纳米复合材料在300K实测ZT=1.1相当，且优于Cu2Se-CuInSe2纳米复合材料（850K时ZT=2.6）及卤化银理论计算值（600K时ZT=7）。室温晶格热导率（????~49 Wm-1K-1）低于黑磷烯（78 Wm-1K-1）和砷烯（61 Wm-1K-1）。组分单层晶格参数的高度匹配使MoS2/BP II型范德华异质双层在K点保持直接带隙（BP与MoS2分别作为施主和受主材料）。发现超高载流子迁移率~20×103 cm2V?1s?1，超过先前报道的过渡金属硫族化合物基范德华异质结构。激子结合能（0.5 eV）接近单层MoS2（0.54 eV）和C?N?（0.33 eV）。计算表明单层MoS2/BP异质双层的功率转换效率（PCE）超20%，超越MoS2/p-Si异质结太阳能电池（5.23%）并与文中所列理论值相当。此外，其对可见光的高光学吸收（~10? cm?1）和小导带偏移（0.13 eV）使MoS2/BP在二维激子太阳能电池领域极具前景。当异质双层承受7%垂直压应变（相当于~1 kBar静水压）时，面外压电应变系数????从~3.16 pm/V增强四倍至~14.3 pm/V，这种可调控超薄二维纳米压电学中顶栅效应的高面外压电系数属新发现。鉴于BP已成功合成，这种多功能MoS2/BP异质结构的实验实现具有高度可行性。
关键词： 第一性原理计算、压电性、热电性、太阳能转换效率、激子太阳能电池
更新于2025-09-12 10:27:22