論文題目：Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries

發表期刊：Nature Communications IF: 17.65

DOI: //doi.org/10.1038/s41467-024-44792-4

【引言】

光伏效應作為一種重要的綠色環保能源收集手段，已在眾多領域得到廣泛應用。然而，傳統PN結中的光電轉換效率受到Shockley-Queisser極限的限制，無法進一步提高。因此，研究者將目光轉向了非中心對稱材料。在這種材料中，當受到均勻光照，且無外接偏壓的條件下，就可以產生直流光電流。這種光電轉換現象由于只受到材料本征對稱性的影響，被稱為材料的本征光電轉換效應（IPVE）。由于材料本征的IPVE不受Shockley-Queisser極限的限制，為進一步提高光電轉換效率提供了研究思路。

【成果簡介】

2024年2月，南方科技大學相關團隊使用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3在光電轉化器件的制備及應用等方面取得重要成果。作者利用ReS₂材料中一維范德華晶界（vdW GBs）制備了基于IPVE效應的光電轉換器件。根據實驗測量結果，所制備出的光電轉換器件具有同類器件中最高的IPVE效率。此外，研究發現利用不受極化影響的門電極可對vdW GBs的IPVE轉換效率進行調節，更有利于能量的收集。相關工作以《Giant intrinsic photovoltaic effect in onedimensional van der Waals grain boundaries》為題，在SCI期刊《Nature Communications》上發表。

文中使用的小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3克服了傳統光刻工藝中需要掩膜版的難題，通過電腦控制DMD微鏡矩陣開關，經過光學系統調制，直接在光刻膠上曝光繪出所要的圖案。與此同時，該設備還具備結構緊湊（70cm X 70cm X 70cm）、直寫速度高，高分辨率（XY：<1 μm）等特點。采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便。憑借這些優勢，MicroWriter ML3為本研究光電器件的成功制備提供了關鍵技術支持。

圖1. 小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

【圖文導讀】

圖2. ReS₂材料中vdW GBs的表征。（a）ReS₂材料的STEM和HAADF表征結果。（b）ReS₂材料中晶界的STEM和HAADF表征結果。（c）材料晶界附近的頂視示意圖。（d）和（e）材料極化和非極化條件下的光學表征結果。（f）材料的極化拉曼表征結果。

圖3. 在ReS₂晶界的IPVE效應。（a）利用MicroWriter ML3無掩模光刻機制備的光電轉換器件。（b）沿y方向光電流在材料不同位置的測量。（c）掃描光電光譜儀對材料光電流的表征結果。（d）沿x方向光電流在材料不同位置的測量。(e)在晶界處的極化分辨光電流。(f)極化獨立項的空間分布。

圖4. 通過調節電壓實現對ReS₂的IPVE轉換效率的調節。（a）利用MicroWriter ML3制備的光電轉換器件。（b）在不同電壓下，IPVE效應所產生的光電流對應的值。

圖5. 論文Supplementary Information中利用MicroWriter無掩模光刻機的所制備的光電器件。

【結論】

論文中，南方科技大學相關團隊利用小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3制備了基于ReS₂一維vdW GBs的光電轉換器件。由于該器件利用了IPVE效應，突破了傳統PN結中的Shockley-Queisser光電轉換極限。與同類器件相比，論文中所制備出的光電轉換效率也處于優異水平。該工作不僅制備出高轉換效率的光電器件，還為光電轉換效率的提高打下堅實的理論基礎。從論文中還可以看出，MicroWriter ML3無掩模光刻機得益于其強大的光刻和套刻能力，可以十分方便地實現實驗中所設計圖形的曝光，是各學科科研中制備各類微納器件的得力助手。

相關產品：