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石墨烯中显示的新特性可以带来更好的太阳能电池板性能

2019-07-04 14:43:43 • 来源：

由加州大学河滨分校的物理学家共同领导的一个国际研究团队发现了石墨烯中超高效电荷和能量流动的新机制，为开发新型光捕获设备提供了机会。

研究人员将没有杂质的原始石墨烯 - 石墨烯制成不同的几何形状，将窄带和十字交叉连接到宽阔的矩形区域。他们发现，当光照射的收缩区域，例如窄带连接两个宽区域的区域时，它们检测到大的光感应电流或光电流。

石墨烯中显示的新特性可以带来更好的太阳能电池板性能

原始石墨烯可以非常有效地将光转换成电能的发现可以导致开发出高效且超快的光电探测器 - 并且可能更高效的太阳能电池板。

石墨烯是一种1原子厚的碳原子片，排列成六边形格子，具有许多理想的材料特性，例如高载流能力和导热性。原则上，石墨烯可以吸收任何频率的光，使其成为红外和其他类型光检测的理想材料，在生物传感，成像和夜视中具有广泛的应用。

在大多数太阳能收集装置中，光电流仅在两种不同材料之间存在结点时出现，例如“pn”结，两种半导体材料之间的边界。电流在结区域中产生并且移动通过两种材料的不同区域。

“但在石墨烯中，一切都在变化，”UCR的物理学副教授纳撒尼尔·加博尔说，他是研究项目的共同领导者。“我们发现在原始石墨烯中可能会出现光电流，在这种特殊情况下，整个石墨烯片完全没有过多的电子电荷。产生光电流不需要特殊的连接，而是可以通过简单地切割和成型来控制。石墨烯片成为不寻常的结构，从阶梯状的线性接触阵列，到狭窄的矩形，到锥形和梯形边缘。“

原始石墨烯是完全电荷中性的，这意味着材料中没有过量的电荷。然而，当连接到设备中时，可以通过向附近的金属施加电压来引入电荷。该电压可以诱导正电荷，负电荷或完全平衡负电荷和正电荷，因此石墨烯片完全是电荷中性的。

“我们制造的光捕获装置只有单个原子的厚度，”Gabor说。“我们可以用它来设计半透明的设备。这些设备可以嵌入不寻常的环境中，例如窗户，或者它们可以与其他更传统的光线收集设备结合使用，以获取通常不被吸收的多余能量。关于如何将边缘切割成形状，该设备可以提供截然不同的信号。“

该研究小组报告了今天首次观察到一种全新的物理机制 - 一种在电荷中性石墨烯中产生的光电流，而不需要pn结 - 现在在纳米技术中。

Gabor实验室以前的工作表明石墨烯中的光电流来自高度兴奋的“热”电荷载流子。Gabor解释说，当光照射石墨烯时，高能电子会放松形成许多相对较冷的电子，然后将其作为电流收集。尽管石墨烯不是半导体，但是这种光诱导的热电子群可以用于产生非常大的电流。

“所有这些行为都归功于石墨烯独特的电子结构，”他说。“在这种奇迹材料中，'光能被有效地转换成电子能量，随后可以在非常长的距离内在材料内传输。”

他解释说，大约十年前，原始石墨烯预计会表现出非常不寻常的电子行为：电子应该像液体一样，允许能量通过电子介质传输，而不是通过物理移动电荷。

“但是，尽管有这样的预测，直到现在还没有对原始石墨烯设备进行光电流测量，”他说。

关于原始石墨烯的新工作表明，电子能量在没有过多电子电荷的情况下传播距离很远。

该研究小组已经发现证据表明，新机制可以在红外区域内产生极大增强的光响应，并具有超快的操作速度。

“我们计划在更广泛的红外线和其他频率上进一步研究这种效应，并测量其响应速度，”麻省理工学院物理学博士后助理马琼说。

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