《Electric Power Systems Research》：Silicene’s potential as a next-generation photovoltaic material: A theoretical investigation of its performance under diverse conditions
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硅烯作为n型半导体层和前接触在异质结太阳能电池中表现出高效率（21.79%-28.22%），其性能受MoS?厚度（单层/多层）、缓冲层（a-Si:H/a-SiGe:H）及环境条件（300-350 K，0.1-128 suns）显著影响，为二维材料光伏器件提供了理论框架。
阿拉什·马德梅利（Arash Madmeli）| 基亚拉什·马德梅利（Kiarash Madmeli）| 贾巴尔·甘吉（Jabbar Ganji）
伊朗马什哈尔伊斯兰自由大学（Islamic Azad University, Mahshahr）电气工程系
摘要
在下一代太阳能电池中，具有前景的二维（2D）材料中，硅烯（Silicene）因其独特的性质和与现有硅基基础设施的兼容性而脱颖而出。本研究首次提出了硅烯在太阳能电池结构中的两种新颖且未被探索过的用途。在第一种结构中，硅烯作为n型半导体层，应用于ITO/n-Silicene/MoS?（单层MoS?）/a-Si:H（i）（a-SiGe:H（i））/c-Si（P）/Au结构中；在第二种结构中，硅烯作为前接触层，应用于Silicene/MoS?（单层MoS?）/a-Si:H（i）（a-SiGe:H（i））/c-Si（P）/Au配置中。研究了在不同光照强度（0.1至128太阳光）和温度（300至350 K）条件下MoS?厚度及不同缓冲层的影响。在标准条件（300 K，1太阳光）下，含有单层MoS?的第一种结构实现了21.79%的效率，而含有多层MoS?的第二种结构则达到了显著的28.22%的效率；这两种结构均使用了a-Si:H（i）缓冲层。尽管目前硅烯的合成和稳定性存在挑战，限制了其实际应用，但这些发现凸显了硅烯在提升太阳能电池性能方面的巨大潜力。本研究为基于二维材料的光伏技术发展提供了重要的理论框架，并为未来太阳能技术解决可扩展性和稳定性问题迈出了重要一步。
引言
当前全球能源形势面临着日益严重的能源危机和环境污染，因此从不可再生资源向可持续替代能源的转型变得至关重要[1]。太阳能是一种可行的资源，能够以环保的方式将太阳能转化为工业和城市所需的电能[2]、[3]。然而，这项技术仍面临诸多挑战，尤其是高昂的制造成本和材料的毒性[4]、[5]。因此，迫切需要探索能够克服这些挑战的新材料。二维（2D）材料，如石墨烯[6]、[7]、[8]和MoS?[9]，因其优异的电子和光学特性而受到广泛关注。然而，这些材料存在固有的局限性，限制了它们在太阳能电池架构中的最佳性能。例如，石墨烯的带隙极低（几乎为零）[10]，[11]，使其不适合作为活性半导体层使用；而MoS?虽然具有合适的带隙，但其载流子迁移率相对较低。在这种情况下，硅烯（一种二维的蜂窝状硅同素异形体）提供了一个有吸引力的替代方案，它结合了多种理想特性，包括可调的带隙[12]和高载流子迁移率[13]。此外，硅烯与现有的硅基电子技术的良好兼容性[14]、[15]，使其成为实用光伏器件的有力候选材料，有可能同时充当前接触层和活性半导体层。除了光伏应用外，硅烯在各种电子和能源相关领域也展现出了巨大潜力，例如已实现室温下的硅烯基场效应晶体管操作，证实了其在实际纳米电子器件中的可行性[16]。此外，层状和功能化的硅烯基材料在热电应用中也得到了研究，结构变形和插层显著提高了塞贝克系数（Seebeck coefficient）和载流子传输性能[17]。硅烯在储能技术中也引起了广泛关注，少层硅烯纳米片展现了优异的锂离子存储性能[18]。此外，还有报道指出硅烯在光电子应用中的潜力，例如限制在层状硅氧纳米片中的硅烯量子点可实现高效的蓝光发射[19]。尽管理论潜力巨大，但硅烯尚未在实际的太阳能电池结构中得到应用，也未见相关的性能研究。然而，从材料和异质结构工程的角度来看，硅烯与MoS?等层状半导体的结构兼容性已得到系统研究。特别是，基于范德华相互作用的第一性原理研究表明，硅烯可以稳定地沉积在MoS?基底上，且层间耦合较弱[20]。密度泛函理论计算预测晶格失配较小（约2.4%），层间间距较大（约2.9?），表明存在非共价相互作用，并保持了硅烯的蜂窝状晶格结构[20]。实验表面敏感性研究也证实了在受控生长条件下硅烯可在MoS?上形成二维层状结构[21]。本研究首次通过先进模拟将硅烯应用于太阳能电池架构，建立在Madmeli等人（2024年）的基础计算工作之上（他们提出了分别用Al和P掺杂的p型和n型硅烯半导体层，效率分别为16.61%和18.96%），以及使用硅烯作为异质结电池前接触层时取得的27.13%的高效率[23]，并提出了创新的器件配置进行评估。具体而言，我们在两种初始异质结结构（ITO/n-Silicene/MoS?/a-Si:H（i）/c-Si（P）/Au和Silicene/MoS?/a-Si:H（i）/c-Si（P）/Au）中应用了n型硅烯半导体层和硅烯前接触层。研究系统地分析了结构修改的影响，包括用单层MoS?替换MoS?以及用a-SiGe:H（i）替换a-Si:H（i），共模拟了六种配置，并使用AFORS-HET软件进行了分析。除了结构优化外，还探讨了层设计、温度和光照强度对关键光伏参数（效率η、填充因子FF、短路电流Jsc和开路电压Voc）的影响，测试条件为标准条件（1太阳光，AM 1.5）和300至350 K（27°C至77°C）。此外，还评估了在不同光照强度（0.1至128太阳光）下的效率温度系数（TCη）和性能，以评估硅烯基异质结在标准光照和集中光照下的热稳定性和光学响应。
方法
六种提出的异质结太阳能电池结构（图1 a–f）的模拟是使用AFORS-HET软件完成的。该程序基于Shockley-Reed-Hall复合统计规律求解了一维半导体方程（泊松方程和连续性方程[24]）。光学参数（特别是电子/空穴生成）的估算采用了软件内置的Lambert-Beer吸收模型[25]。所有结构均使用了硅烯，作为n型半导体层
结果与讨论
结果部分首先详细介绍了在标准测试条件（STC，300 K）下的模拟光伏参数（η、FF、Jsc和Voc），随后深入讨论了在不同温度（效率温度系数TCη）和广泛光照强度（0.1至128太阳光）下的器件性能。这一系统评估探讨了基于硅烯的结构在现实应用场景中的可行性。
由于……的敏感性
结论
本研究从理论上研究了硅烯在六种异质结配置中的光伏性能，其中硅烯分别作为n型半导体和前接触层。系统分析了MoS?厚度、缓冲层组成、温度和光照强度的影响。结果表明，将MoS?厚度减至三层显著提升了效率和热稳定性。
作者贡献声明
阿拉什·马德梅利（Arash Madmeli）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建、数据整理。基亚拉什·马德梅利（Kiarash Madmeli）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建、数据整理。贾巴尔·甘吉（Jabbar Ganji）：撰写 – 审稿与编辑、指导监督、软件使用、数据分析、概念构建、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
