近日，來自美國堪薩斯大學(xué)（KU）研究人員將石墨烯層與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來，從而將石墨烯中激發(fā)電子的壽命延長了數(shù)百倍。這項研究可以高效地加速超薄和柔性太陽能電池的開發(fā)。

石墨烯是十年來最熱門的材料。僅在2017年，全球就發(fā)表了超過30,000份關(guān)于石墨烯的研究論文。

近日，來自美國堪薩斯大學(xué)（KU）物理學(xué)和天文學(xué)系的兩位研究人員，HuiZhao教授和研究生SamuelLane，將石墨烯層與另外兩個原子層（二硒化鉬和二硫化鎢）連接起來，從而將石墨烯中激發(fā)電子的壽命延長了數(shù)百倍。該發(fā)現(xiàn)將發(fā)布在NanoFutures上，這是一份新發(fā)行的、高度選擇性的期刊。

KU的這項研究可以高效地加速超薄和柔性太陽能電池的開發(fā)。

對于電子和光電子應(yīng)用，石墨烯具有優(yōu)良的電荷傳輸性能。根據(jù)相關(guān)研究，電子在石墨烯中的移動速度是光速的1/30，比其他材料要快得多。這可能意味著石墨烯可以用于太陽能電池，太陽能電池將太陽能從陽光轉(zhuǎn)換成電能。但是石墨烯有一個很大的缺點，阻礙了這種應(yīng)用，就是它激發(fā)電子的壽命超短(即電子保持移動的時間)，只有大約1皮秒(百萬分之一秒，或10-12秒)。

「石墨烯導(dǎo)電」提高石墨烯導(dǎo)電性能可能推動太陽能技術(shù)發(fā)展

KU的研究員表示，以石墨烯為工作材料實現(xiàn)太陽能電池高效率的最大挑戰(zhàn)之一就是釋放出的電子：“電子的數(shù)量，取決于他們在被光線解放后能夠保持移動的平均時間。在石墨烯中，電子僅在一皮秒內(nèi)保持自由。這對于積累大量移動電子而言太短。這是石墨烯的固有特性，并且已經(jīng)成為將該材料應(yīng)用于光伏或光敏器件的一個很大的限制因素。換句話說，盡管石墨烯中的電子可以通過光激發(fā)而變得可移動并且可以快速移動，但它們只能保持移動太短的時間來為電力做出貢獻?！?br/>
新論文報告說，這個問題可以通過使用所謂的范德瓦爾斯材料來解決。他們的方法原則很容易理解。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們在KU的超快激光實驗室工作，他們設(shè)計了一種三層材料，將單層MoSe2，WS2和石墨烯疊放在一起。

研究人員解釋說：“我們可以把MoSe2和石墨烯層想象成兩個滿是學(xué)生坐在一起的教室，而中間的WS2層則作為分隔兩個房間的走廊。當(dāng)光線照射到樣品上時，MoSe2中的一些電子被釋放出來。他們被允許穿過WS2層走廊進入另一個房間，這是石墨烯。然而，走廊經(jīng)過精心設(shè)計，以便電子必須在MoSe2中離開座位。一旦進入石墨烯，他們別無選擇，只能保持移動，從而有助于電流，因為他們的座位已不再可用?！?br/>
為了證明這個想法是有效的，KU研究人員使用超短激光脈沖（0.1皮秒）來釋放MoSe2中的一些電子。通過使用另一個超短激光脈沖，他們能夠在這些電子移動到石墨烯時監(jiān)測這些電子。他們發(fā)現(xiàn)這些電子平均在約0.5皮秒的“走廊”中移動。然后它們保持移動約400皮秒，比單層石墨烯提高了400倍，這也是他們在同一研究中測量的。

研究人員還確認，MoSe2中留下的“座位”在相同的時間內(nèi)也空著。在原有狀態(tài)下，這些座位應(yīng)永遠保持空虛。然而，在量子力學(xué)中，電子“隧道”回到這些座位。研究人員提出這個過程決定了移動電子的壽命。因此，通過選擇不同的“走廊”層，可以針對各種應(yīng)用控制此時間。

該研究由美國國家科學(xué)基金會資助。