超薄太陽能電池研究突破，納米鎢和鉬可提升石墨烯導電性能

石墨烯是單層碳原子，具有適合各種應用的理想特性。這十年來，石墨烯是最熱門的材料。僅在2017年，全球就發表了超過30,000份關於石墨烯的研究論文。例如最受期待的石墨烯太陽能電池。遺憾的是，小編在國內遍地開花的“石墨烯電池”新聞中，並沒有看到真正量產的產品。實際上，石墨烯作為電池的材料的唯一優勢就是導電非常快，除此再無亮點。

但是可以確定的是，全世界的科學家都一直以努力突破對石墨烯材料的架構改進。近日，來自美國堪薩斯大學的兩位研究人員將石墨烯層和另外兩種過渡金屬單層二維材料——二硒化鉬和二硫化鎢連接起來，從而延長了電子的生命週期，將石墨烯中的電子效能激發了數百倍，這項工作的意義是可以推動高性能超薄太陽能電池和柔性太陽能電池的開發。

對於電子和光電應用，太陽能電池將能量從陽光轉換為電能，石墨烯具有優異的電荷傳輸性能，電子以石墨速度的1/30的速度在石墨烯中移動-比其他材料快得多。這表明石墨烯是可用於太陽能電池的，但石墨烯也有一個主要的缺點，阻礙了這種應用——它的超短壽命激發電子只有大約一皮秒（百萬分之一秒）。

研究團隊的主要負責人趙昭教授和他的學生萊恩認為：“陽光啟動電子後，電子就可以在材料中自由穩動，就像一群從座位上站起來的學生，他們不再被約束在固定的位置上，所有充滿活力的學生都可以在教室裡自由活動 - 就像電流一樣。“

但與此同時，以石墨烯為工作材料實現太陽能電池高效率的最大挑戰之一就是釋放的電子，因為速度極快，並且石墨烯是典型的“零帶隙材料”，不能停下來，有強烈的失去能量和變得不動的傾向。趙授教授說：“在石墨烯中，電子僅在一皮秒內保持自由。這對於積累大量的移動電子來說太短了。換句話說，雖然石墨烯中的電子可以通過光激發而變得可移動並且可以快速移動，但它們只能保持移動太短的時間來為電力做出貢獻，一秒鐘熱度都很難保持，這是石墨烯的固有特性，並且已經成為將這種材料應用於光伏或光敏的一個很大的限制因素

為了實現石墨烯太陽能電池的高效率，研究人員設計了一種三層材料，將單層二硒化鉬（MoSe2）、二硫化鎢（WS2）和石墨烯疊放在一起。

我們可以把二硫化鉬層和石墨烯層想像成兩個滿是電子的房間，而中間的WS2層則是分隔兩個房間的走廊。當光線照射時，MoSe2層中的電子被釋放出來。它們被允許穿過WS2層走廊進入石墨烯層。走廊作為緩衝帶，以便電子將他們的座位留在MoSe2，從而有助於光能轉化成電流。“

為了證明這個想法是有效的，研究人員使用超短雷射脈衝（0.1皮秒）來釋放MoSe2中的一些電子，通過使用另一個超短雷射脈衝，他們能夠在這些電子移動到石墨烯時監測這些電子。他們發現這些電子平均在約0.5皮秒的“走廊”中移動。然後它們保持移動約400皮秒 - 比單層石墨烯提高了400倍。這有助於太陽能電池的高效蓄電和放電。

石墨烯、二硫化鎢和二硒化鉬都是薄如蟬翼的單層二維納米材料，所以將三者組合成三明治型的夾心結構可用于製造非常薄、非常小、外觀呈透明狀的太陽能電池面板，將光轉化為電的性既高效又穩定。同時科學家們認為，可以利用三種材料帶隙的可調性，構造多結疊層電池，進而應用於可折疊手機之類的電子設備。

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