物理科学与技术学院陈元正团队与英国剑桥大学Simon A.T. Redfern教授、美国波多黎各陈中方教授等合作，在二维光电材料与太阳能电池器件领域取得了重要进展，以第一作者和通讯作者身份在国际顶尖杂志ACS Materials Lett. 1, 375−382 (2019)【该杂志是ACS期刊旗下Chemistry of Materials(影响因子IF=9.92) 和 ACS Applied Materials & Interfaces(影响因子IF=8.69) 中的精选快报】发表论文。该项成果得到了国家自然科学基金委、中央高校科技创新项目、中央高校GF基金项目、以及西南交通大学科学技术发展院和研究生院的大力支持。
图1. 二维蜂窝状a-NP薄层材料及其优越的光电性能
近年来，实验成功制备的磷烯具有较高的载流子浓度、迁移率，以及较高的光电转化效率等光电性质，同时层数可调的光学响应、高开关比、高度的各向异性等性质，使得磷烯在场效应晶体管、太阳能电池、光催化等方面展现出更大的潜在应用价值。特别是在太阳能电池中，磷烯被给予厚望以取代传统硅基光电材料，实现太阳能电池的超薄化和高效化。但目前，磷烯的关键问题在于稳定性差,在空气有氧环境中易被氧化进而降解,稳定性越差。因此，设计一种具有高稳定性并且保留磷烯光电性质的磷烯替代品十分必要。
本文作者采用基于粒子群优化算法的结构预测技术和基于密度泛函理论的第一性原理计算相结合的方法，对氮-磷体系的二维全局空间进行系统性结构搜索，确认了在一个全局形成能最低点的类似磷烯蜂窝状结构（a-NP）。通过第一性原理计算表明该结构具有优越的热力学，动力学，热动力学等稳定性。利用分子动力学模拟其在高温或有氧环境，发现它都具有较好的化学稳定性，不易被氧化。采用平面拉伸方式对少数层a-NP的能带结构进行调制，结果表明它们都能形成在可见光范畴的直接带隙。同时，发现该a-NP具有随层数变化的高吸收效率和高载流子迁移率等光电性质。进一步，模拟该a-NP薄层随厚度演化的光电效率，发现当厚度到达3微米时它的光电效率值可趋近于磷烯的值。基于该a-NP薄层与二维过度金属硫化物（MoTe2），构建了一种全新的type-II异质结太阳能电池模型（MoTe2/3L a-NP）并且模拟计算其光电转化效率最大值可到达16%。最后，探索了该a-NP结构材料实验制备的可行性，提出了可以通过机械剥离方式从 NP体相中获得。本文研究报道了一种稳定的磷烯替代材料，促进了磷基光电材料及其太阳能电池应用的发展。
图2.基于该a-NP薄层材料与过度金属硫化物，构建的异质结太阳能电池模型及其光电转化效率
该研究成果在线发表在ACS Materials Lett., 英文题目：Identifying the Ground-State NP Sheet through a Global Structure Search in Two-Dimensional Space and Its Promising High-Efficiency Photovoltaic Properties
（DOI:10.1021/acsmaterialslett.9b00220）
网址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.9b00220
发表日期(Web): 2019-8-20
来源：物理科学与技术学院