近日,清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)與合作者在英國皇家化學(xué)學(xué)會(huì)旗下的《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》(Chemical Society Reviews)上發(fā)表了題為“基于石墨烯和過渡金屬二硫?qū)倩衔锓兜氯A異質(zhì)結(jié)的光伏與光電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換”(Engineering graphene and TMDs based van der Waals heterostructures for photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion)的長篇綜述文章,綜述了基于石墨烯和過渡金屬硫化物(TMDs)的二維/二維(2D/2D)、二維/三維(2D/3D)范德華異質(zhì)結(jié)在太陽能轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面的最新進(jìn)展,討論了其與傳統(tǒng)太陽能電池和光電極的差異性及潛在優(yōu)勢(shì),分析了光電轉(zhuǎn)換過程中的物理和化學(xué)及界面光生載流子傳輸行為,總結(jié)了不同界面調(diào)控方法對(duì)異質(zhì)結(jié)光電性能的影響,展望了二維材料異質(zhì)結(jié)在光伏、光電化學(xué)等領(lǐng)域現(xiàn)階段存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)。最后針對(duì)目前范德華異質(zhì)結(jié)太陽能電池和光電極的不足,提出了相關(guān)策略以增加其光電轉(zhuǎn)換效率。
圖1 二維范德華異質(zhì)及光電器件示意圖
石墨烯是一種由碳原子組成的穩(wěn)定且可自支持的二維材料,具有高載流子遷移率、良好的透光性及優(yōu)異的電子傳輸性能。石墨烯可作為透明導(dǎo)電極和載流子傳輸層用于光伏太陽能電池。但是,零帶隙石墨烯的吸光性可調(diào)性較差,無法作為吸光層用于太陽能轉(zhuǎn)化。TMDs具有多種電子能帶結(jié)構(gòu),涵蓋了絕緣體(如HfS2)、金屬(如NbS2,VSe2)、半導(dǎo)體(如MoS2、WS2和WSe2)等材料,因而彌補(bǔ)了石墨烯不能有效吸收太陽光的缺點(diǎn)。具有半導(dǎo)體性質(zhì)的TMDs的帶隙一般在1~2 eV之間,其吸光范圍與太陽光譜相契合且可媲美傳統(tǒng)窄帶隙半導(dǎo)體材料,如Si(1.1 eV)、GaAs(1.4 eV)和CdTe(1.5 eV)。大部分TMDs具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),隨著層數(shù)的減少,帶隙逐漸增加,當(dāng)材料為單層時(shí),能帶結(jié)構(gòu)從塊狀半導(dǎo)體的間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌影雽?dǎo)體的直接帶隙。超薄的2D TMDs具有優(yōu)異的吸光和很短的激子傳輸路徑,理論上可降低載流子復(fù)合率,在太陽能轉(zhuǎn)化方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。石墨烯和不同的2D TMDs可以組合成任意的2D/2D和2D/3D范德華異質(zhì)結(jié)同時(shí)不用考慮晶格匹配的問題,為實(shí)現(xiàn)超薄、柔性且高效的太陽能電池提供了可能。除了應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域,利用TMDs優(yōu)異的催化性能和穩(wěn)定性,可以構(gòu)建高效且穩(wěn)定的范德華異質(zhì)結(jié)光電極用于光電化學(xué)分解水。目前,該類范德華異質(zhì)結(jié)在太陽能轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面還處在起步階段,太陽能轉(zhuǎn)化效率有待進(jìn)一步提高,在表面及界面調(diào)控方面存在著諸多挑戰(zhàn)。本綜述論文基于石墨烯和TMDs范德華異質(zhì)結(jié)在光伏和光電催化方面的應(yīng)用,從基本原理、材料基本結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、能帶排布、界面調(diào)控策略、挑戰(zhàn)與展望等多個(gè)方面進(jìn)行了分析、討論和總結(jié),在界面調(diào)控方面提出了有益的見解,對(duì)范德華異質(zhì)結(jié)太陽能轉(zhuǎn)化器件的性能優(yōu)化有重要的指導(dǎo)作用。
本文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授和日本東京大學(xué)機(jī)械工程系Jean-Jacques Delaunay教授,第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院博士后李昌黎。其他重要作者包括東京大學(xué)博士生曹祺、電子科技大學(xué)博士后王法則和電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院李嚴(yán)波教授。本工作受到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助。《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》是英國皇家化學(xué)會(huì)旗下的綜述類學(xué)術(shù)期刊,該期刊目前影響因子為38.618。
論文鏈接:http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/CS/C8CS00067K
- 浙江大學(xué)劉平偉、王青月 Angew:二維材料高效催化聚烯烴廢塑料的加氫裂解及反應(yīng)機(jī)理研究 2023-08-21
- 上海電力大學(xué)曹懷杰《Prog. Org. Coat.》:二維材料復(fù)合防腐涂層取向調(diào)控與表征策略綜述 2023-06-05
- 電子科大王曾暉團(tuán)隊(duì)、肖旭團(tuán)隊(duì) ACS Nano:工作在甚高頻的MXene納米機(jī)電諧振器和傳感器 2022-12-14
- 寧波材料所王震/閻敬靈團(tuán)隊(duì) JMCA: 聚酰亞胺/石墨烯氣凝膠的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力學(xué)和電磁屏蔽兼容 2025-06-19
- 深圳技術(shù)大學(xué)史濟(jì)東等 Carbon:基于石墨烯-納米纖維素復(fù)合薄膜的自修復(fù)應(yīng)變/濕度雙模傳感器的設(shè)計(jì)及在可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)的應(yīng)用 2025-05-28
- 北京化工大學(xué)汪曉東教授團(tuán)隊(duì) Nano-Micro Lett.: 碳化聚酰亞胺/凱夫拉纖維/氧化石墨烯@ZIF-67雙向復(fù)合氣凝膠封裝相變材料實(shí)現(xiàn)多重能量轉(zhuǎn)換與電磁屏蔽 2025-04-28