这篇文章属于类型a，研究报告。以下是对该研究的全面报告：
研究概述
文章《high-throughput computational screening of vertical 2d van der waals heterostructures for high-efficiency excitonic solar cells》由Jiajun Linghu、Tong Yang、Yongzheng Luo、Ming Yang、Jun Zhou、Lei Shen和Yuan Ping Feng等人合作完成，发表于2018年9月4日，刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。该研究聚焦于高效激子太阳能电池的二维材料异质结构的高通量计算筛选。研究通过计算筛选了1540种基于二维半导体/绝缘材料的垂直范德华异质结构，旨在找出具有潜在高功率转换效率（PCE）的材料组合。
研究背景
近年来，太阳能电池行业主要依赖传统的硅基太阳能电池，硅材料的丰富性和成熟的工业加工技术使得硅基太阳能电池占据了市场主导地位。然而，硅基太阳能电池的功率转换效率（PCE）受到物理极限的限制，难以进一步提升。为了进一步提升太阳能电池的效率，科学家们开始探索其他类型的太阳能电池，其中，基于激子的太阳能电池（XSCs）引起了广泛关注。激子太阳能电池不同于硅基太阳能电池，它依靠的是异质结构界面效应来生成光生电子-空穴对，并通过异质界面分离生成自由电荷载流子，从而实现光电转换。
二维材料因其独特的物理特性，成为制造超薄、高效、柔性激子太阳能电池的潜在候选材料。二维材料之间的范德华异质结构因其能带对接的特殊性成为了XSCs研究中的热点。2012年，Bernardi等人首次提出了利用二维材料形成范德华异质结构来作为激子太阳能电池的构想。自那时以来，许多二维材料的范德华异质结构被提出并展示出优异的光电性能。然而，由于二维材料种类繁多，如何系统地筛选出高效的二维材料异质结构仍然是一个挑战。因此，本研究旨在通过高通量计算方法，筛选出具有潜在高效能的二维材料异质结构，为激子太阳能电池的进一步研究提供理论依据。
研究方法与流程
本文的高通量计算工作主要基于密度泛函理论（DFT），并采用了Vienna Ab Initio Simulation Package（VASP）进行计算。首先，研究团队从材料数据库中筛选出了2273种候选二维材料，并根据它们的电子带隙和晶格结构筛选出56种已知稳定的半导体或绝缘体单层材料。接下来，研究人员通过组合这些材料，设计出最多可达1540种垂直范德华异质结构，并计算了这些异质结构的能带对接情况。为了筛选出具有类型II能带对接（适用于激子分离的条件）的材料对，研究团队从1540个异质结构中进一步筛选出581个符合该条件的结构。最终，基于计算出的带隙和导带偏移（CBO），研究团队估算了这些异质结构的PCE（功率转换效率），筛选出了91个PCE大于15%的高效异质结构。
值得注意的是，在本研究中，作者采用了Anderson模型来计算带对接，验证了这一方法在二维材料异质结构中的适用性。此外，由于传统的DFT方法严重低估带隙值，本文采用了HSE06混合泛函来计算电子结构，保证了计算结果的准确性。
研究结果
通过高通量筛选，研究团队成功识别出了91种PCE大于15%的高效二维材料异质结构，并进一步推测出其中17种异质结构的PCE可能超过20%。例如，hfse2/geo2和bas/bp异质结构的PCE分别为22.64%和22.61%，远超现有激子太阳能电池的最佳效率（约为9%）。这些高效的异质结构具有两大共性特征：首先，供体材料的带隙通常位于0.92-1.88 eV之间，这一带隙范围与传统p-n结太阳能电池的理想带隙范围相符；其次，这些异质结构的导带偏移（CBO）较小，意味着较少的能量损失，从而有利于提高开路电压（Voc）。
通过这些筛选结果，研究人员建议在设计高效二维材料异质结构太阳能电池时，应该选择带隙位于1.0-1.7 eV范围的供体材料，并搭配导带偏移较小的受体材料。基于这一策略，研究人员进一步推荐了若干高效二维材料异质结构供后续研究和实验验证。
研究结论
本研究通过高通量的计算筛选方法，成功筛选出91种PCE大于15%的二维材料异质结构，并预测其中17种异质结构的PCE有望超过20%。这些高效的异质结构为二维激子太阳能电池的开发提供了理论依据。尽管高通量筛选工作仅考虑了能带对接类型和基于带隙及导带偏移的PCE估算，但研究人员认为，进一步的研究可以从载流子传输、激子复合速率等方面对这些异质结构进行更为细致的理论分析，从而进一步缩小最有潜力的异质结构范围，为实验室的实际制备和测试提供指导。
研究亮点
应用前景与价值
本文提出的二维材料异质结构的高通量筛选方法，为寻找高效的激子太阳能电池材料提供了一个高效的工具。通过进一步优化材料设计，并结合实际实验验证，这些高效的异质结构有望成为下一代太阳能电池的重要候选材料。此外，本文的筛选方法也可以扩展到其他类型的二维材料研究，为材料科学领域的相关研究提供了新的思路和方法。