提高石墨烯导电性能可能推动太阳能技术发展

近日，来自美国堪萨斯大学（KU）研究人员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，从而将石墨烯中激发电子的寿命延长了数百倍。这项研究可以高效地加速超薄和柔性太阳能电池的开发。

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。

近日，来自美国堪萨斯大学（KU）物理学和天文学系的两位研究人员，HuiZhao教授和研究生SamuelLane，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，从而将石墨烯中激发电子的寿命延长了数百倍。该发现将发布在NanoFutures上，这是一份新发行的、高度选择性的期刊。

KU的这项研究可以高效地加速超薄和柔性太阳能电池的开发。

对于电子和光电子应用，石墨烯具有优良的电荷传输性能。根据相关研究，电子在石墨烯中的移动速度是光速的1/30，比其他材料要快得多。这可能意味着石墨烯可以用于太阳能电池，太阳能电池将太阳能从阳光转换成电能。但是石墨烯有一个很大的缺点，阻碍了这种应用，就是它激发电子的寿命超短(即电子保持移动的时间)，只有大约1皮秒(百万分之一秒，或10-12秒)。

「石墨烯导电」提高石墨烯导电性能可能推动太阳能技术发展

KU的研究员表示，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出的电子：“电子的数量，取决于他们在被光线解放后能够保持移动的平均时间。在石墨烯中，电子仅在一皮秒内保持自由。这对于积累大量移动电子而言太短。这是石墨烯的固有特性，并且已经成为将该材料应用于光伏或光敏器件的一个很大的限制因素。换句话说，尽管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。“

新论文报告说，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。

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。

研究人员解释说：“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。当光线照射到样品上时，MoSe2中的一些电子被释放出来。他们被允许穿过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，以便电子必须在MoSe2中离开座位。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可用。”

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”在相同的时间内也空着。在原有状态下，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。

该研究由美国国家科学基金会资助。