Janus XSO（X = Sn, Ge）单层的电子结构与光捕获效率

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Electronic structure and light-harvesting efficiency of Janus XSO (X = Sn, Ge) monolayers

二维Janus材料SnSO和GeSO的电子结构、 exciton效应及光伏性能研究，揭示其带隙与光热转换潜力，理论效率达32.46%。

　　

比尔·D·阿帕里西奥·瓦卡普玛（Bill D. Aparicio Huacarpuma）| 穆罕默德·伊尔凡（Muhammad Irfan）| 卡洛斯·A·维尔卡·瓦亚瓦（Carlos A. Vilca Huayhua）| 法比奥·L·洛佩斯·德·门东萨（Fábio L. Lopes de Mendon?a）| 卡洛斯·M.O. 巴斯托斯（Carlos M.O. Bastos）| 亚历山大·C·迪亚斯（Alexandre C. Dias）| 路易斯·A·里贝罗（Luiz A. Ribeiro）

巴西利亚大学物理研究所，巴西利亚，70910-900，DF

摘要

全球对清洁高效能源的迫切需求加剧了人们对具有光伏潜力的新型低维材料的探索。二维（2D）材料，特别是Janus材料，由于其电子特性而成为太阳能电池应用的有希望的候选材料。然而，现有文献缺乏分析激子对其光学性质和功率转换效率（PCE）影响的研究。在这项工作中，我们对2D Janus XSO（Sn, Ge）单层的结构、热力学、电子和光学性质进行了全面的第一性原理研究，分析了激子效应对光伏器件的影响。这两种系统都被确定为直接带隙半导体，在PBE水平上的带隙分别为0.86 eV和0.59 eV，在HSE06泛函下分别增加到1.74 eV和1.52 eV。通过Wannier基组紧束缚哈密顿量结合Bethe–Salpeter方程评估其光学响应，发现明显的激子效应，SnSO的结合能为315 meV，GeSO的结合能为256 meV。通过Shockley–Queisser极限评估的光伏性能表明，理论上的功率转换效率可达32.46%。这些结果表明，2D Janus SnSO和GeSO单层是下一代太阳能技术的有希望的候选材料，它们结合了合适的带隙和强烈的光-物质相互作用。

引言

石油储备的枯竭加剧了全球能源危机，凸显了化石燃料资源的有限性。这一紧迫挑战强调了需要可再生和环保的能源替代品，以满足不断增长的能源需求，同时减少环境影响[1]，[2]。

基于新型二维（2D）半导体的太阳能电池因其高功率转换效率（PCE）而受到广泛关注[3]。太阳能辐射是最丰富的能源之一，已经通过光伏器件、热电发电机和太阳能热技术得到利用[4]。

自2004年发现石墨烯[5]以来，由于石墨烯没有固有带隙，人们开始寻找替代的2D材料。为了克服这一限制，已经实验合成了多种材料，并对其进行了理论研究，包括过渡金属硫属化物（TMDs）[6]，[7]，[8]，[9]，六方氮化硼[10]，[11]，2D碳同素异形体[12]，[13]，[14]，MXenes[15]，[16]，[17]，磷烯[18]，[19]，碳氮化物[20]，以及IV族硫属化物[21]，[22]，[23]，[24]。

2D材料的潜力最近在包括传感器、电池、催化、光电器件和太阳能电池在内的广泛应用中得到了证明[25]，[26]。众所周知的例子如MoS₂[27]和

[28]，[29]，[30]已经广泛用于这些领域。这些材料也可以被制成Janus形式。例如，Janus MoSSe已经成功合成[31]，其不对称的原子配置使其相对于传统的非Janus材料具有增强的性能[8]，[32]，[33]。除了MoSSe之外，还研究了其他Janus结构，包括MoXY（X, Y = S, Se, Te）[34]，[35]，VSeTe[36]，SnSSe[37]，[38]等，用于能量转换应用。

最近，具有1.63 eV带隙和约29%功率转换效率（PCE）的Janus半导体SnSSe被理论提出用于光伏应用[38]。Nandi等人报告称，具有0.76 eV带隙和相对较低的杨氏模量（60–70 N/m）的Janus GeSSe在大规模能源应用中具有潜力。Do等人[42]对GeSO单层进行了理论研究，预测其具有有利的光电性能和大约1.55 eV的带隙。

同样，具有1.7 eV带隙的Janus SnSO也被探索作为可再生能源应用的候选材料[35]。此外，Vu等人[43]使用密度泛函理论研究了SnSO单层，表明其直接带隙可以通过应变或外部电场进行调整。他们还报告了216.460 cm²V^?1s^?1的高电子迁移率，从红外到近紫外区域的强光吸收，以及 s的强热电行为。

传统的2D材料，包括MXenes、hBN和TMDs，具有强烈的光电行为，但无法提供光伏器件中有效激子分离所需的固有垂直极化。这一限制促使人们更加关注不对称材料，特别是能够内在产生所需内置电场的Janus单层。尽管$\text{SnSO}$和$\text{GeSO}$具有有前景的电子特性，但对其激子特性的严格第一性原理分析（包括结合能和潜在的光伏效率）尚未报道。

上述研究表明，SnSO是光电和能源应用的有希望的材料。然而，SnSO和GeSO在光伏应用中尚未得到充分探索，激子对其光学性质和PCE的影响也尚未得到解决。

受到对Janus材料日益增长的兴趣的启发，我们对两种有前景的Janus XSO（Sn, Ge）单层进行了全面的第一性原理密度泛函理论（DFT）研究。我们的系统研究了它们的结构、热力学、机械、电子和光学性质，特别关注激子效应及其在光-物质相互作用中的作用。电子能带结构使用成熟的DFT泛函进行分析，而激子特性则通过紧束缚哈密顿量结合Bethe–Salpeter方程（TB+BSE）框架进行探索。光学光谱在独立粒子近似（IPA）和BSE水平上进行评估，以捕捉独立粒子和多体响应。最后，我们通过Shockley–Queisser[44]和光谱极限最大效率（SLME）[45]公式评估了这些材料的光伏性能。结果揭示了合适的带隙、强的激子结合能和有竞争力的PCE值，使Janus SnSO和GeSO成为下一代二维光伏应用的候选材料。

方法论

结构优化和电子性质计算使用维也纳Ab Initio模拟包（VASP）[46]，[47]在DFT框架[48]，[49]内进行，采用投影增强波（PAW）方法[50]，[51]。Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）交换-相关泛函[52]用于几何优化、声子色散、弹性常数评估和电子结构分析。

使用600 eV的平面波截止能量以确保

结构和机械性质

Janus SnSO和GeSO单层的优化原子构型如图1所示。这两种系统都采用1T相的三层三角结构，属于空间群$P\stackrel{?}{3}m1$（编号156）。SnSO的松弛晶格参数为$a_0=3$ ?A，GeSO的松弛晶格参数为$a_0=3$ ?A。晶格角度为$\alpha =\beta =90°$和$\gamma =120°$，与六角对称性一致，如图1所示。这些结构参数与先前的报告一致，显示出

结论

总之，我们对二维Janus SnSO和GeSO单层的结构、振动、机械、电子和光学性质进行了全面的第一性原理研究，重点关注激子效应，以评估它们的光伏应用潜力。声子色散曲线证实了它们的动态稳定性，而热力学分析表明在室温以上形成晶体是热力学上有利的。弹性常数分析和极性

CRediT作者贡献声明

比尔·D·阿帕里西奥·瓦卡普玛（Bill D. Aparicio Huacarpuma）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。穆罕默德·伊尔凡（Muhammad Irfan）：撰写 – 原始草稿，方法论，研究，形式分析，概念化。卡洛斯·A·维尔卡·瓦亚瓦（Carlos A. Vilca Huayhua）：撰写 – 原始草稿，方法论，形式分析，数据管理。法比奥·L·洛佩斯·德·门东萨（Fábio L. Lopes de Mendon?a）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，形式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

B.D.A.H.感谢CAPES（巴西资助机构）提供的博士奖学金。作者衷心感谢以下机构的财政支持：国家科学技术发展委员会（CNPq）、联邦区研究支持基金会（FAPDF）和高等教育人员改进协调委员会（CAPES）。C.M.O.B、A.C.D和L.A.R.J感谢PDPG-FAPDF-CAPES Centro-Oeste的资助。