摘要
复旦大学张成研究员在Nano Letters上发表了基于二维半导体压电集成系统的声光伏效应，通过声表面波大幅增强了光电转化效率，实现了零偏压下的非局域光电流。
英文原题：
Acousto-Drag Photovoltaic Effect by Piezoelectric Integration of Two-Dimensional Semiconductors
通讯作者：张成，复旦大学
作者：Jiaming Gu (顾嘉明), Yicheng Mou (牟毅成), Jianwen Ma (马健文), Haonan Chen (陈昊楠), Chuanxin Zhang (张传鑫), Yuxiang Wang (王宇祥), Jiayu Wang (王嘉宇), Hangwen Guo (郭杭闻), Wu Shi (石武), Xiang Yuan (袁翔), Xue Jiang (江雪), Dean Ta (他得安), Jian Shen (沈健), Cheng Zhang (张成)
[背景介绍]
光电转化是太阳能电池、光电探测器等技术的核心，其关键在于高效分离和传输光生电子空穴对并抑制光生载流子的复合。传统光伏效应主要依靠p-n结等界面内建电场分离光生，光电流仅在结区附近产生，限制了器件构型设计和性能提升。近年来兴起的体光伏效应（BPVE）可在材料内部产生非局域的光伏响应，但对晶体对称性有严格限制，阻碍了其应用推广。
[文章亮点]
近日，复旦大学张成研究员在Nano Letters上发表了基于二维半导体压电集成系统的声光伏效应（ADPVE）的研究。团队制备了MoSe2/LiNbO3异质结构器件，通过压电衬底高效激发声表面波并使其和光生载流子相互作用，从而在中心对称材料中产生了非局域的光伏效应，显著提高光电转换效率。其原理如图1所示，器件利用声电作用有效分离光生载流子并拖拽至器件边界，并结合肖特基势垒产生零偏压光电流。研究人员通过两种构型的器件对比实验分别验证了声波对电子空穴对的空间分离效应和声电拖拽效应。
图1. 声光伏效应的工作原理和器件结构示意图
声表面波带来的压电场引起了价带和导带的周期性调制。在声波传播方向和光电流垂直的器件构型中（图2），光生电子空穴对并不随声表面波传播至肖特基结区产生额外的光电流。此时声波的主要作用是使得电子和空穴分别运动到导带底和价带顶，在空间上实现动态分离，有效抑制复合。通过光电空间成像，实验发现器件光电响应被增强，但整体行为保持一致，符号不变，远离肖特基结的样品中心区域未表现出光响应。反转声波的方向时，实验现象基本一致。
图2. 声表面波抑制光生载流子复合
当声波传播方向和光电流平行时（图3）。声波不仅抑制了复合效应，还将电子空穴对从远离肖特基结的区域拖拽至结区。因此，整个器件区域都表现出显著的非局域光电流。当反转声表面波的方向时，光电响应的符号也随之反转。这种平行构型器件的光电响应增强幅度远高于垂直构型，验证了声电拖拽效应。如图3c-e所示，声表面波大幅提高了光电响应和转化效率，在弱光下提升幅度接近三个数量级，外量子效率可超过60%。
图3. 声电拖拽产生的声光伏效应
[总结/展望]
研究团队提出了声光伏效应，通过将二维半导体集成到压电衬底，有效激发表面声波对电子能带进行周期性调制，实现光生载流子的空间分离和拖拽。这种新型光伏效应突破了晶体对称性的限制，为开发高效光电转换器件提供了新思路。
相关论文发表在Nano Letters上，复旦大学博士研究生顾嘉明为文章第一作者，复旦大学博士研究生牟毅成、马健文和陈昊楠为共同一作，张成研究员为通讯作者。
出版信息：
Nano Lett. 2024, 24, 33, 10322–10330
Publication Date: August 12, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02941
Copyright © 2024 American Chemical Society
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02941