材料學(xué)院朱宏偉團(tuán)隊(duì)在《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》發(fā)表二維材料異質(zhì)結(jié)光電應(yīng)用綜述文章
清華新聞網(wǎng)5月9日電 5月8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(guó)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(guò)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(zhǎng)篇綜述文章。
文章綜述了基于石墨烯和過(guò)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(wèn)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(yáng)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(yáng)能電池。但是，零帶隙石墨烯的吸光性可調(diào)性較差，無(wú)法作為吸光層用于太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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。超薄的二維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(yáng)能轉(zhuǎn)化方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
石墨烯和不同的二維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(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)超薄、柔性且高效的太陽(yáng)能電池提供了可能。除了應(yīng)用于太陽(yáng)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(lèi)范德華異質(zhì)結(jié)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面還處在起步階段，太陽(yáng)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(jiàn)解，對(duì)范德華異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)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)械工程系讓·雅克·德勞內(nèi)（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。
本項(xiàng)工作受到國(guó)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?！痘瘜W(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》是英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗下的綜述類(lèi)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
供稿：材料學(xué)院 編輯：徐靜 華山 審核：襄楠
