近日，中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心曾华凌教授课题组和中科院量子信息重点实验室郭光灿院士团队龚明教授课题组在二维铁电体光伏效应研究中取得新的进展。该联合研究组在室温二维铁电材料CuInP2S6中观察到了显著增强的体光伏现象，并研究了该现象的维度过渡行为，确定了其临界厚度，这些结果为理解空间反演对称破缺体系中电极化主导的光电转换机制提供了重要的实验证据。相关研究成果于10月8日以“Enhanced bulk photovoltaic effect in two-dimensional ferroelectric CuInP2S6”为题在线发表于国际学术期刊《自然*通讯》上(Nat. Commun. 12, 5896 (2021))。
图1.(a)体光伏效应示意图。(b)基于二维材料CuInP2S6的体光伏器件。(c)室温无外偏压条件下二维铁电CuInP2S6中生成的自发光电流。
传统光伏器件广泛依赖于固体中的界面技术，如半导体PN结或肖特基结，这使得它们在光电转换过程中可利用的光子数及所产生的光伏电压受限于晶体材料的带隙。理论证明，这些器件的光电能量转换效率存在理论上限，即所谓的Shockley-Queisser(SQ)极限。近年来的研究表明，在非中心对称的晶体材料中普遍存在着被称为体光伏效应的非线性光学现象，即单一组分的晶体材料能在无外场及无空间不均匀性的条件下自发地导致光生电子与空穴分离，从而产生光电流。此界面技术无关的光伏效应有望打破SQ极限，从而提高光伏器件的能量转换效率，并获得超过材料带隙的光生电压。
目前体光伏效应的研究主要集中在以钙钛矿氧化物为主的三维铁电晶体中，包括BiFeO3、PbTiO3等。前期相关研究已经实现了远超带隙的光生电压产生，但受限于块体材料的厚度和绝缘体性质，利用体光伏效应产生的光电流通常较小，为10-10安培量级。为在体光伏器件中获得更高的光电流密度，近期的理论研究指出，低维材料体系中存在的高电子态密度及能带贝里相相关的移位电流是其中的关键。但是，关于体系维度和样品厚度之间的关系，以及维度的过渡如何影响体光伏效应等，目前尚未有一个非常清楚的图像。
图2.(a)不同维度下体光伏材料中光电流密度和激发光功率密度的关系。 (b)体光伏光电流和CuInP2S6样品厚度的关系以及维度过渡过程。通过临界厚度dc，层状铁电材料CuInP2S6中的载流子扩散长度被估算为40 nm。
有鉴于此，我校曾华凌课题组和龚明课题组在二维范德华层状铁电材料CuInP2S6中开展了体光伏效应的研究。该研究工作基于层状铁电材料原子级厚度和层间弱范德华力相互作用的特点，结合石墨烯与少层CuInP2S6构筑了垂直异质结构，在无外加偏压条件下观察到了显著的自发光电流现象，并利用外电场、入射光场以及温度场等多种外场手段，实现了对体光伏强度的调控，证明二维铁电极化是体光伏增强效应的主要物理机制。此外，通过改变二维铁电层的厚度，他们非常清晰地演示了体光伏效应的维度过渡过程，并发现基于二维铁电材料的体光伏输出电流密度介于一维和三维体光伏材料之间。这一研究成果暗示了材料维度是发展高效体光伏器件的关键因素之一。
中国科学技术大学已毕业博士生李悦、合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生付军和毛晓宇为本论文的共同第一作者，龚明教授和曾华凌教授为上述文章的共同通讯作者。这项研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和安徽省引导项目的支持。
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