钙钛矿与二维材料异质结带来的新机会

       卤化物钙钛矿和过渡金属二硫化物（TMDs）作为两类新兴的半导体材料，由于具有许多优异的特性，引起了人们的广泛关注。一方面，改变钙钛矿的成分可以实现能带和光学特性的调控，钙钛矿太阳能电池在能量转换效率方面的进步比其他类型的光伏电池快得多。但是，钙钛矿材料的环境稳定性较差。另一方面，过渡金属二硫化物及其异质结构显示出许多有趣的光学和电子特性，但是其原子级薄膜厚度限制了它们的光吸收。如果能将钙钛矿和过渡金属二硫化物相结合，则有望提供一种性能扩展、优势互补，并用于开发高性能光电器件的新思路。

       近日，新加坡科学技术研究局材料研究与工程研究所滕京华教授与南洋理工大学申泽骧教授合作综述了钙钛矿和TMDs异质结构的最新研究进展。

       该综述首先简要介绍了钙钛矿和TMDs的基本特性，从能带排列和载流子传输的角度，讨论了不同材料对钙钛矿-TMD异质结的光电特性的影响。然后详细梳理了这些材料及其异质结构的各种合成方法，以及不同几何形状器件的最新集成和制造策略。全面回顾了钙钛矿-过渡金属二硫化物异质结构的最新光电应用，特别是在光电探测器和太阳能电池中的应用，并就该领域中颇有潜力的研究课题提出了展望。

       光电探测器的机制和性能受钙钛矿的能带排列、TMDs的类型（I、II 和 III 型）、相材料（金属和半导体）和器件结构（平面和垂直）的影响较大。例如，图 1(a)[1]描述了使用MAPbI3 和MoS2 的亚稳态金属 (1T) 和稳定的半导体 (2H) 相的能带排列和载流子转移机制。对于 1T-MoS2而言，光生电子和空穴都从钙钛矿注入到 MoS2 层，而对于2H-MoS2相，光生电子和空穴分别注入到 MoS2 的导带和价带中，因此具有更高的响应度。然而，由 2H-MoS2 组成的光电探测器的速度要快于1T-MoS2。MAPbI3/MoS2光电探测器的平面和垂直结构以及偏压和光照对电荷传输和分离的影响如图1(b)[2] 所示。平面结构时，电子转移到MoS2 薄膜并减少电极/材料界面处的肖特基势垒，然后分离。而垂直结构时，光生电子转移到 MoS2，而空穴转移到钙钛矿，在异质结上产生了内置电位，使光电探测器在没有任何外部偏置的情况下工作。图 1(c) 显示了在 MAPbI3/BP/MoS2 混合二维光电门光电二极管[3] 中结合 I 型和 II 型能带排列的优势[3]。在这种设计中，光电探测器具有更高的量子效率，在 I 型排列中具有更强的吸收，同时使用 II 型结构来增强带电载流子的注入和提取效率。