超薄太阳能电池研究突破,纳米钨和钼可提升石墨烯导电性能

石墨烯是单层碳原子,具有适合各种应用的理想特性。这十年来,石墨烯是最热门的材料。仅在2017年,全球就发表了超过30,000份关于石墨烯的研究论文。例如最受期待的石墨烯太阳能电池。遗憾的是,小编在国内遍地开花的“石墨烯电池”新闻中,并没有看到真正量产的产品。实际上,石墨烯作为电池的材料的唯一优势就是导电非常快,除此再无亮点。

但是可以确定的是,全世界的科学家都一直以努力突破对石墨烯材料的架构改进。近日,来自美国堪萨斯大学的两位研究人员将石墨烯层和另外两种过渡金属单层二维材料——二硒化钼和二硫化钨连接起来,从而延长了电子的生命周期,将石墨烯中的电子效能激发了数百倍,这项工作的意义是可以推动高性能超薄太阳能电池和柔性太阳能电池的开发。

超薄太阳能电池图片

对于电子和光电应用,太阳能电池将能量从阳光转换为电能,石墨烯具有优异的电荷传输性能,电子以石墨速度的1/30的速度在石墨烯中移动-比其他材料快得多。这表明石墨烯是可用于太阳能电池的,但石墨烯也有一个主要的缺点,阻碍了这种应用——它的超短寿命激发电子只有大约一皮秒(百万分之一秒)。

研究团队的主要负责人赵昭教授和他的学生莱恩认为:“阳光激活电子后,电子就可以在材料中自由稳动,就像一群从座位上站起来的学生,他们不再被约束在固定的位置上,所有充满活力的学生都可以在教室里自由活动 - 就像电流一样。“

但与此同时,以石墨烯为工作材料实现太阳能电池高效率的最大挑战之一就是释放的电子,因为速度极快,并且石墨烯是典型的“零带隙材料”,不能停下来,有强烈的失去能量和变得不动的倾向。赵授教授说:“在石墨烯中,电子仅在一皮秒内保持自由。这对于积累大量的移动电子来说太短了。换句话说,虽然石墨烯中的电子可以通过光激发而变得可移动并且可以快速移动,但它们只能保持移动太短的时间来为电力做出贡献,一秒钟热度都很难保持,这是石墨烯的固有特性,并且已经成为将这种材料应用于光伏或光敏的一个很大的限制因素

为了实现石墨烯太阳能电池的高效率,研究人员设计了一种三层材料,将单层二硒化钼(MoSe2)、二硫化钨(WS2)和石墨烯叠放在一起。

我们可以把二硫化钼层和石墨烯层想象成两个满是电子的房间,而中间的WS2层则是分隔两个房间的走廊。当光线照射时,MoSe2层中的电子被释放出来。它们被允许穿过WS2层走廊进入石墨烯层。走廊作为缓冲带,以便电子将他们的座位留在MoSe2,从而有助于光能转化成电流。“

为了证明这个想法是有效的,研究人员使用超短激光脉冲(0.1皮秒)来释放MoSe2中的一些电子,通过使用另一个超短激光脉冲,他们能够在这些电子移动到石墨烯时监测这些电子。他们发现这些电子平均在约0.5皮秒的“走廊”中移动。然后它们保持移动约400皮秒 - 比单层石墨烯提高了400倍。这有助于太阳能电池的高效蓄电和放电。

石墨烯、二硫化钨和二硒化钼都是薄如蝉翼的单层二维纳米材料,所以将三者组合成三明治型的夹心结构可用于制造非常薄、非常小、外观呈透明状的太阳能电池面板,将光转化为电的性既高效又稳定。同时科学家们认为,可以利用三种材料带隙的可调性,构造多结叠层电池,进而应用于可折叠手机之类的电子设备。

 

 

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