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石墨烯的导电性能推动了太阳能技术的发展

2010年,诺贝尔物理学奖授予了石墨烯的发现者。石墨烯是单层碳原子,具有适合各种应用的理想特性。在研究人员中,石墨烯是十年来最热门的材料。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。

现在,来自堪萨斯大学的两位研究人员,赵昭教授和研究生Samuel Lane,都是物理学和天文学系,他们将石墨烯层与另外两个原子层(二硒化钼和二硫化钨)连接起来,从而延长了生命周期。石墨烯中的电子激发了数百倍。该发现将发布在Nano Futures上,这是一本新推出的高度选择性期刊。

KU的工作可以高效地加速超薄和柔性太阳能电池的开发。

对于电子和光电应用,石墨烯具有优异的电荷传输性能。根据研究人员的研究,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。这可能表明石墨烯可用于太阳能电池,太阳能电池将能量从阳光转换为电能。但石墨烯有一个主要的缺点,阻碍了这种应用 - 它的超短寿命激发电子(即电子保持移动的时间)只有大约一皮秒(百万分之一秒,或10-12)第二)。

“这些兴奋的电子就像是从座位上站起来的学生 - 例如,在能量饮料之后,激活学生就像阳光一样激活电子,”赵说。“充满活力的学生在教室里自由活动 - 就像人类的电流一样。”

KU研究员表示,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 - 或者是站着的学生 - 有强烈的失去能量和变得不动的倾向,就像坐着的学生一样退后,退下。

“电子的数量,或者来自我们这个例子的学生,可以为当前的贡献做出贡献,取决于他们在被光线解放后能够保持移动的平均时间,”赵说。“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。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。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。“

在他们的新论文中,赵和莱恩报告说,这个问题可以通过使用所谓的范德瓦尔斯材料来解决。他们的方法原则很容易理解。

“我们基本上把椅子从站着的学生身边带走,这样他们无处可坐,”赵说。“这迫使电子保持移动的时间比以前长几百倍。”

为了实现这一目标,他们在KU的超快激光实验室工作,他们设计了一种三层材料,将单层MoSe2,WS2和石墨烯叠放在一起。

“我们可以把MoSe2和石墨烯层想象成两个满是学生坐在一起的教室,而中间的WS2层则作为分隔两个房间的走廊,”赵说。“当光线照射到样品上时,MoSe2中的一些电子被释放出来。它们被允许穿过WS2层走廊进入另一个房间,这是石墨烯。然而,走廊经过精心设计,以便电子必须将他们的座位留在MoSe2。一旦进入石墨烯,他们别无选择,只能保持移动,从而有助于电流,因为他们的座位已不再适用于他们。“

为了证明这个想法是有效的,KU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,这也是他们在同一研究中测量的。

研究人员还确认,MoSe2中留下的“座位”在相同的时间内也无人居住。在古典世界中,这些座位应永远保持空虚。然而,在量子力学中,电子“隧道”回到这些座位。研究人员提出这个过程决定了移动电子的寿命。因此,通过选择不同的“走廊”层,可以针对各种应用控制此时间。

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