Van-der-Waals heterostructure photovoltaics

Abstract

Die Herstellung und Nutzung von p-n-Übergängen in atomar dünnen Heterostrukturen ist zu einem wichtigen Forschungsfeld herangewachsen und hat zur Fertigung einer Vielzahl an verschiedenen Bauteilen geführt, wobei die meisten davon aus einatomigen Schichten aufgebaut sind. Die Möglichkeit der Herstellung von Ressourcen-effizienten Solarzellen hat dieses Forschungsfeld im Hinblick auf die Nutzung neuer Technologien zur Energieerzeugung attraktiv gemacht. In dieser Arbeit wird eine neue vertikale Bauform vorgestellt, bei welcher die aktive Photovoltaik-Schicht aus mehrlagigem WSe2, umgeben von zwei Graphen-Elektroden, aufgebaut ist. Die Ladungstrennung erfolgt durch elektrostatische Dotierung mittels zweier Gate-Elektroden, welche von der aktiven Region durch isolierendes Material getrennt sind. Weiters wurde die Effizienz des Bauteils durch die Nutzung eines metallischen Rückreflektors, welcher gleichzeitig die untere Gate-Elektrode bildet, und durch die Anpassung der Schichtdicken, entsprechend den Resultaten einer Simulation, optisch verbessert. Ein p-n-Übergang wurde durch Gate- Spannungen verschiedener Polarität erzeugt und führte zur Demonstration eines photovoltaischen Effektes. Die Abhängigkeit der maximalen elektrischen Leistung von der Gate-Spannung wurde untersucht und ein lokales Maximum festgestellt. Dieses wurde durch eine Abnahme des von der Gate-Spannung abhängigen Dotiergradienten in der Struktur erklärt. Wirkungsgrade bis 0.4 % konnten bei verschiedenen Bestrahlungsleistungen in den charakterisierten Bauteilen erreicht werden. Eine Messung mit Laser bei niedriger Leistung erbrachte eine externe Quanteneffizienz von bis zu 23 %.

Establishing and utilizing p-n junctions in atomically-thin heterostructures has grown to an important research area and has led to the fabrication of a wide variety of devices in which a photovoltaic effect was demonstrated, most of them built of monolayers. The possibility of fabricating resource-efficient solar cells has made this field of research attractive with regard to utilizing new technologies for energy harvesting. In this work, a new vertical device design which features few-layer WSe2 as the active photovoltaic layer, sandwiched between two graphene-electrodes, is presented. The charge separation is facilitated through electrostatic doping with two gate electrodes, which have been insulated from the active region by two insulating layers. Furthermore, the device performance was optically enhanced by using a metallic back-reflector, which simultaneously formed the bottom-gate electrode, and engineering the thicknesses of the layers according to a numerical simulation. Applying gate voltages of different polarity, thus introducing a p-n junction, led to the demonstration of a photovoltaic effect. The maximum power point was investigated for several gate voltages. A local maximum was found, which was explained by a decrease of the gate voltage dependent doping gradient within the structure. Power conversion efficiencies up to 0.4 % were achieved at different illumination intensities in the characterized devices. A low-power laser measurement yielded a maximally observed external quantum efficiency of 23 %.