Two-Dimensional Semiconducting ZrNX (X= Cl, Br, I) with a Janus Structure for Solar Energy Utilization

杰纳斯 材料科学 能量转换效率 光电子学 电场 激子 吸收(声学) 太阳能电池 电子能带结构 纳米技术 凝聚态物理 物理 复合材料 量子力学
作者
Xingyong Huang,Mingjie Wan,Fu-Ti Liu,Hai‐Zhi Song,Ming Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (45): 22105-22111
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04287
摘要

Recently, two-dimensional (2D) Zr-based halides have brought an intensive interest for applications in multifunctional energy conversion. Herein, the single-layer ZrNX (ZrNCl, ZrNBr, and ZrNI) and Janus ones (Zr2N2ClBr, Zr2N2ClI, and Zr2N2BrI) are proposed using first-principles calculations. The single-layer ZrNX can be obtained from its bulk counterpart via mechanical exfoliation. The single-layer ZrNX and Janus ones show dynamic and thermodynamic stability, revealing moderate band characteristics, and band values are ∼2.25–2.90 eV. Janus structure can tune the electronic structure, band alignment, and light absorption within a certain range. In particular, the Janus structure induces a built-in electric field and a great potential drop, improving the separation efficiency of photogenerated electron holes. All the single-layer ZrNX and Janus ones, except for the Zr2N2ClI and Zr2N2BrI monolayers, are interested in being a candidate for photocatalytic water splitting. The Janus structure (Zr2N2ClBr) shows a better water oxidation ability than the others. The excellent optical absorption coefficient (∼104 cm–1, in the visible-light region) implies the significant potential of (photo)electric devices. The proposed exciton solar cell is expected to have a large power conversion efficiency (PCE) limit of ∼12%. These present results indicate that the single-layer ZrNX and Janus ones are potential materials for photocatalytic water splitting and other (photo)electric devices.
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