Near-Unity-Efficiency Energy Transfer from Perovskite to Monolayer Semiconductor through Long-Range Migration and Asymmetric Interfacial Transfer

材料科学 异质结 钙钛矿(结构) 单层 半导体 光电子学 带隙 电子转移 纳米技术 光子学 化学物理 光化学 结晶学 化学
作者
Chi Zhang,Yao Zhang,Zhishan Fang,Yuzhong Chen,Zeng Chen,Haiping He,Haiming Zhu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (35): 41895-41903 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.1c11753
摘要

van der Waals heterostructures combining perovskites of strong light absorption with atomically thin two-dimensional (2D) transition-metal dichalcogenides (TMDs) hold great potential for light-harvesting and optoelectronic applications. However, current research studies integrating TMDs with low-dimensional perovskite nanomaterials generally suffer from poor carrier/energy transport and harnessing, stemming from poor interfacial interaction due to the nanostructured nature and ligands on surface/interface. To overcome the limitations, here, we report prototypical three-dimensional (3D)/2D perovskite/TMD heterostructures by combing highly smooth and ligand-free CsPbBr 3 film with a WSe 2 monolayer. We show that the energy transfer at interface occurs through asymmetric two-step charge-transfer process, with ultrafast hole transfer in ∼200 fs and subsequent electron transfer in ∼10 ps, driven by the asymmetric type I band alignment. The energy migration and transfer from CsPbBr 3 film to WSe 2 can be well described by a one-dimensional diffusion model with a carrier diffusion length of ∼500 nm in CsPbBr 3 film. Thanks to the long-range carrier migration and ultrafast interfacial transfer, highly efficient (>90%) energy transfer to WSe 2 can be achieved with CsPbBr 3 film as thick as ∼180 nm, which can capture most of the light above its band gap. The efficient light and energy harvesting in perovskite/TMD 3D/2D heterostructures suggest great promise in optoelectronic and photonic devices.
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