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        石墨烯中顯示的新特性可以帶來(lái)更好的太陽(yáng)能電池板性能

        由加州大學(xué)河濱分校的物理學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了石墨烯中超高效電荷和能量流動(dòng)的新機(jī)制,為開發(fā)新型光捕獲設(shè)備提供了機(jī)會(huì)。

        研究人員將沒有雜質(zhì)的原始石墨烯 - 石墨烯制成不同的幾何形狀,將窄帶和十字交叉連接到寬闊的矩形區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)光照射的收縮區(qū)域,例如窄帶連接兩個(gè)寬區(qū)域的區(qū)域時(shí),它們檢測(cè)到大的光感應(yīng)電流或光電流。

        石墨烯中顯示的新特性可以帶來(lái)更好的太陽(yáng)能電池板性能

        原始石墨烯可以非常有效地將光轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)現(xiàn)可以導(dǎo)致開發(fā)出高效且超快的光電探測(cè)器 - 并且可能更高效的太陽(yáng)能電池板。

        石墨烯是一種1原子厚的碳原子片,排列成六邊形格子,具有許多理想的材料特性,例如高載流能力和導(dǎo)熱性。原則上,石墨烯可以吸收任何頻率的光,使其成為紅外和其他類型光檢測(cè)的理想材料,在生物傳感,成像和夜視中具有廣泛的應(yīng)用。

        在大多數(shù)太陽(yáng)能收集裝置中,光電流僅在兩種不同材料之間存在結(jié)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn),例如“pn”結(jié),兩種半導(dǎo)體材料之間的邊界。電流在結(jié)區(qū)域中產(chǎn)生并且移動(dòng)通過(guò)兩種材料的不同區(qū)域。

        “但在石墨烯中,一切都在變化,”UCR的物理學(xué)副教授納撒尼爾·加博爾說(shuō),他是研究項(xiàng)目的共同領(lǐng)導(dǎo)者。“我們發(fā)現(xiàn)在原始石墨烯中可能會(huì)出現(xiàn)光電流,在這種特殊情況下,整個(gè)石墨烯片完全沒有過(guò)多的電子電荷。產(chǎn)生光電流不需要特殊的連接,而是可以通過(guò)簡(jiǎn)單地切割和成型來(lái)控制。石墨烯片成為不尋常的結(jié)構(gòu),從階梯狀的線性接觸陣列,到狹窄的矩形,到錐形和梯形邊緣。“

        原始石墨烯是完全電荷中性的,這意味著材料中沒有過(guò)量的電荷。然而,當(dāng)連接到設(shè)備中時(shí),可以通過(guò)向附近的金屬施加電壓來(lái)引入電荷。該電壓可以誘導(dǎo)正電荷,負(fù)電荷或完全平衡負(fù)電荷和正電荷,因此石墨烯片完全是電荷中性的。

        “我們制造的光捕獲裝置只有單個(gè)原子的厚度,”Gabor說(shuō)。“我們可以用它來(lái)設(shè)計(jì)半透明的設(shè)備。這些設(shè)備可以嵌入不尋常的環(huán)境中,例如窗戶,或者它們可以與其他更傳統(tǒng)的光線收集設(shè)備結(jié)合使用,以獲取通常不被吸收的多余能量。關(guān)于如何將邊緣切割成形狀,該設(shè)備可以提供截然不同的信號(hào)。“

        該研究小組報(bào)告了今天首次觀察到一種全新的物理機(jī)制 - 一種在電荷中性石墨烯中產(chǎn)生的光電流,而不需要pn結(jié) - 現(xiàn)在在納米技術(shù)中。

        Gabor實(shí)驗(yàn)室以前的工作表明石墨烯中的光電流來(lái)自高度興奮的“熱”電荷載流子。Gabor解釋說(shuō),當(dāng)光照射石墨烯時(shí),高能電子會(huì)放松形成許多相對(duì)較冷的電子,然后將其作為電流收集。盡管石墨烯不是半導(dǎo)體,但是這種光誘導(dǎo)的熱電子群可以用于產(chǎn)生非常大的電流。

        “所有這些行為都?xì)w功于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu),”他說(shuō)。“在這種奇跡材料中,'光能被有效地轉(zhuǎn)換成電子能量,隨后可以在非常長(zhǎng)的距離內(nèi)在材料內(nèi)傳輸。”

        他解釋說(shuō),大約十年前,原始石墨烯預(yù)計(jì)會(huì)表現(xiàn)出非常不尋常的電子行為:電子應(yīng)該像液體一樣,允許能量通過(guò)電子介質(zhì)傳輸,而不是通過(guò)物理移動(dòng)電荷。

        “但是,盡管有這樣的預(yù)測(cè),直到現(xiàn)在還沒有對(duì)原始石墨烯設(shè)備進(jìn)行光電流測(cè)量,”他說(shuō)。

        關(guān)于原始石墨烯的新工作表明,電子能量在沒有過(guò)多電子電荷的情況下傳播距離很遠(yuǎn)。

        該研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證據(jù)表明,新機(jī)制可以在紅外區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生極大增強(qiáng)的光響應(yīng),并具有超快的操作速度。

        “我們計(jì)劃在更廣泛的紅外線和其他頻率上進(jìn)一步研究這種效應(yīng),并測(cè)量其響應(yīng)速度,”麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士后助理馬瓊說(shuō)。

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