Small Methods:石墨烯在二维层状半导体的光伏应用研究

日期:2018-03-16 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:未知

当前,如何妥善解决急速增长的社会能量需求早已成为不可回避的热点话题。光伏(Photovoltaics)电池因为能够有效地将太阳能转化为电能,被认为是替代化石燃料,缓解能源紧张的重要途径。与此同时,新型的电子设备,特别是具有自供电功能的柔性可穿戴设备也代表着未来科技发展的重要方向。

近些年来,以石墨烯 (Graphene)、层状过渡金属硫属化合物(Layered transition-metal dichalcogenides, TMDCs)和黑磷(Black phosphorus, BP)为代表的二维层状半导体材料因为其优异的光电特性在新一代光伏器件中表现出良好的应用前景,并得到了广泛的研究。一方面,二维层状半导体表现出随厚度变化的可调控能带结构。

以过渡金属硫属化合物为例,当其层数由多层减少到单层时,其半导体特性也由间接带隙转变为直接带隙,为高效率的光电转换提供了可能。另一方面,由于其厚度在一个或几个原子层尺度,这些材料表现出传统光伏材料所不具备的机械柔韧性,成为未来制造柔性器件的理想选择。此外,这些层状材料由于不存在晶格失配问题,为构筑更高效的复杂光伏材料体系提供了新的选择。

近日,来自新加坡国立大学的研究团队在Small Methods发表了题为“2D Photovoltaic Devices: Progress and Prospects”的综述文章,系统总结和探讨了基于二维层状材料的光伏器件应用研究。光伏器件的工作依赖于半导体结(Semiconductor junction)的存在。

根据二维器件内部半导体结的物理结构,作者分别具体阐述了基于肖特基结(Schottky junction),同型p-n结器件 (Homogeneous p-n junction),相同材料的异质结 (Heterojunction) 器件,非相同材料的横向异质结器件,非相同材料的垂直异质结构(又称范德华异质结构,van der Waals heterojunctions)等的光伏器件实现方法,并讨论了其光伏作用过程及相关性能。作者重点讨论了全二维材料的范德华异质结构所蕴含的高效光电转换可能性及其在光伏领域的重要应用前景。

最后,作者认为,该领域虽然在过去几年得到了迅速发展,但实现高效、可靠、实用的二维材料光伏器件仍面临着一系列关键挑战,主要包括提高受限于材料厚度的光有效吸收,改进材料的制备规模和质量,柔性光伏器件的制备,充分探索二维材料能带工程可行性等。相关文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700294)上。文章第一作者为王林博士,通讯作者为新加坡国立大学的Ang Kah Wee教授。