12、二维材料在能源与光电器件中的应用

二维材料在能源与光电器件中的应用

1. 二维MoS₂在纳米光子学与光电子学中的应用

1.1 太阳能电池厚度的优化

通过用p型二维材料替代p - Si，可以进一步减小太阳能电池的厚度。研究人员通过堆叠单层MoS₂和WSe₂实现了原子级厚度的器件，其内置的II型范德华异质结可实现约0.2%的功率转换效率和约0.5的填充因子。

1.2 MoS₂基发光二极管

由于具有直接带隙和高效的电子 - 空穴复合特性，单层MoS₂展现出了良好的发光性能。具体表现如下：
- 单层MoS₂场效应晶体管的电致发光 ：其发射波长（约680 nm）与单层MoS₂的带隙相匹配。
- 基于范德华异质结构的发光二极管 ：如由石墨烯、六方氮化硼和单层MoS₂适当堆叠而成的超薄发光二极管，实现了约10%的外量子效率，这对于整个器件的厚度来说是出乎意料的高，这种结构可能有利于超薄和柔性发光二极管的未来发展。

1.3 MoS₂ - 光学腔系统增强发光性能

尽管单层MoS₂由于间接带隙到直接带隙的转变，其发光性能比块状MoS₂强得多，但量子效率仍受大的非辐射衰减率限制。不过，原子级的超薄厚度允许将单层MoS₂灵活集成到各种光学腔中，包括光子晶体和等离子体纳米结构。具体应用如下：
- 光子晶体增强自发发射率 ：Gan等人通过光子晶体证明了单层MoS₂自发发射率的增强，由于珀塞尔效应，测量的光致发光（PL）强度可显著增强超过五倍。进一步利用高Q值光学腔增强自发发射率，推动了基于二维MoS₂的激光器的发展。
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