美國延長石墨烯電子移動穩定性,有望加速可撓式太陽能發展

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 13 日 13:26 | 分類 光電科技 , 太陽能 , 材料、設備 follow us in feedly

石墨烯除了是當今炙手可熱化學材料,更有著神奇萬能材料美稱,能應用於鋰離子電池、海水淡化、太陽能、航太與醫療等產業,而美國科學家近期更進一步突破石墨烯電子移動穩定性與生命週期挑戰、成功提高石墨烯導電性能,可望加速薄膜與可撓式太陽能電池發展。




石墨烯可說是世界上已知最薄、最堅硬與電阻最小的透明奈米材料,其也具有相當優良的導電特性,並受到廣大科學家喜愛,光是 2017 年全世界就已新增 3 萬份石墨烯研究報告,預估相關研究未來還會持續增加。

過去研究指出,石墨烯中的電子移動速度是光速的三十分之一,比其他材料還要快許多,吸引不少科學家開始研究石墨烯太陽能技術,想藉此提升太陽光電轉換效率。但石墨烯存有一大弱點,該材料電子流動穩定性不高,移動時間僅能維持 1 皮秒(picosecond),也就是百萬分之一秒或 10-12 秒,因此就算光電轉換效率高,也會受限於石墨烯電子特性,使該技術難以跨越穩定性難題而無法商業化。

而美國堪薩斯大學(KU)則接受電子流動穩定性與生命週期挑戰,並藉由將石墨烯層與二硒化鉬(MoSe2)、二硫化鎢(WS2)相疊,成功使電子流動時間延長數百倍。

(Source:堪薩斯大學

二硒化鉬、二硫化鎢即所謂的凡得瓦材料(van der Waals materials),這些過度金屬二硫化物具有極大的機械強度、彈性、高熱傳導率及電子傳導率等,也是當今備受看好的材料之一。

KU 化學與原子系教授 Hui Zhao 團隊把 MoSe2、WS2 和石墨烯相疊在一起,設計出一種三層材料,並突發奇想、將 MoSe2 與石墨烯層想像成兩間坐滿學生的教室,WS2 為分隔兩間教室的走廊,學生與座位則是是電子與電洞。當設備接觸到陽光時,MoSe2 中的電子會被釋放出來、穿過 WS2 抵達石墨烯層,且只要電子一被釋放出來,原本的「位子」就會關閉,因此電子得一直維持移動狀態,進而延長石墨烯電子流動時間。

為了證明該概念可成功運行,KU 研究員透過超短雷射脈衝釋放 MoSe2 的電子,並觀察電子移動到石墨烯的狀況,發現這些電子以平均 0.5 皮秒速度在 WS2 移動,該狀態還可維持 400 皮秒,跟以往研究相比提高 400 倍。

該研究也指出,電子移動穩定性取決於中間的「走廊」層,可透過不同的材料來控制電子流動時間。未來有望再次將時間延長、加速石墨烯太陽能研究,目前研究已發表在《Nano Futures》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:pixabay