Kvantově-mechanická studie elektronických vlastností systémů odvozených od dichalkogenidů přechodných kovů

Abstract

Rastúci dopyt po energií a tlak na udržateľný rozvoj vyžadujú prechod na ulhlíkovo neutrálnu výrobu elektrickej energie. Fotovoltaické články sú napopredí tohto prechodu. Zvýšenie ich efektivity vyžaduje hľadanie riešení nad rámec štandardných technológií. Okrem iných navrhovaných alternatív niekoľkovrstvové dichalkogenidy prechodných kovov (DPK) majú ideálne vlastnosti na tento účel a napokon môžu nahradiť konvenčné solárne články. Nasledujúca štúdia je realizovaná v rámci tejto perspektívy. Za pomoci kvantovej mechaniky sú skúmané možnosti úpravy šírky zakázaného pásu dvoj a troj vrstvých DPK. Preto sme skúmali efekt katiónovej substitúcie na elektrónovú pásovú štruktúru. Bolo zistené, že počet vrstiev a typ aniónu v štruktúre majú najväčší vplyv na šírku zakázaného pásu. Naopak, typ dopantu a jeho pozícia v určitej vrstve sa dá použiť na jemné ladenie šírky pásu. Zaujímavé je, že prítomnosť aniónu telúru v štruktúre spôsobí potlačenie efektov dopantu. Na týchto predbežných výsledkoch bude stavať nasledujúca práca s detailnejšími analýzami. Výstupom práce budú konkrétkne spôsoby získania vybraných šíriek zakázaného pásu vo fotovoltaických článkoch založených na DPK buď výberom určitých dopantov alebo zmenou geometrického usporiadania.

The increasing energy demand and the pressure for a sustainable development impose the transition to carbon-neutral power generation. Photovoltaic solar cells are at the forefront of the transition, and improvement of their efficiency requires going beyond the standard technologies. Among the different proposed solutions, few-layered transition metal dichalcogenides (TMDs) show the ideal characteristics and might, ultimately, substitute the conventional cells. The present work is inserted into this perspective. By means of quantum mechanical approaches we study how to engineer the electronic band gap in two- and three-layered transition metal dichalcogenides. To this aim, we investigate on the effect that the cation substitution has onto the electronic structure. We determine that the number of layers (geometric factor) and the kind of anion forming the structure (electronic factor) play the major role in the determination of the width of the band gap. Instead, the kind of dopant and its position within the layered environment might serve as a ``knob'' to fine tune the final value of the gap. Interestingly, we observe that, when the tellurium anion is present in the structure, the effect of the dopant is mitigated. These preliminary results constitute the starting point of a future work in which more detailed analyses will be performed; such work will identify the guidelines for the selection of suitable dopants and local geometrical arrangements to achieve targeted values of the electronic band gap in TMD-based photovoltaic cells.