清华大学朱宏伟教授团队发表二维材料异质结光电应用综述文章

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近日，清华大学材料学院朱宏伟教授团队与合作者在英国皇家化学学会旗下的《化学学会评论》（Chemical Society Reviews）上发表了题为“基于石墨烯和过渡金属二硫属化合物范德华异质结的光伏与光电化学能量转换”（Engineering graphene and TMDs based van der Waals heterostructures for photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion）的长篇综述文章，综述了基于石墨烯和过渡金属硫化物（TMDs）的二维/二维（2D/2D）、二维/三维（2D/3D）范德华异质结在太阳能转化应用方面的最新进展，讨论了其与传统太阳能电池和光电极的差异性及潜在优势，分析了光电转换过程中的物理和化学及界面光生载流子传输行为，总结了不同界面调控方法对异质结光电性能的影响，展望了二维材料异质结在光伏、光电化学等领域现阶段存在的问题及面临的挑战。最后针对目前范德华异质结太阳能电池和光电极的不足，提出了相关策略以增加其光电转换效率。

图1  二维范德华异质及光电器件示意图

石墨烯是一种由碳原子组成的稳定且可自支持的二维材料，具有高载流子迁移率、良好的透光性及优异的电子传输性能。石墨烯可作为透明导电极和载流子传输层用于光伏太阳能电池。但是，零带隙石墨烯的吸光性可调性较差，无法作为吸光层用于太阳能转化。TMDs具有多种电子能带结构，涵盖了绝缘体（如HfS2）、金属（如NbS2，VSe2）、半导体（如MoS2、WS2和WSe2）等材料，因而弥补了石墨烯不能有效吸收太阳光的缺点。具有半导体性质的TMDs的带隙一般在1~2 eV之间，其吸光范围与太阳光谱相契合且可媲美传统窄带隙半导体材料，如Si（1.1 eV）、GaAs（1.4 eV）和CdTe（1.5 eV）。大部分TMDs具有独特的能带结构，随着层数的减少，带隙逐渐增加，当材料为单层时，能带结构从块状半导体的间接带隙转变为单层半导体的直接带隙。超薄的2D TMDs具有优异的吸光和很短的激子传输路径，理论上可降低载流子复合率，在太阳能转化方面具有很大的潜在应用价值。石墨烯和不同的2D TMDs可以组合成任意的2D/2D和2D/3D范德华异质结同时不用考虑晶格匹配的问题，为实现超薄、柔性且高效的太阳能电池提供了可能。除了应用于太阳能电池领域，利用TMDs优异的催化性能和稳定性，可以构建高效且稳定的范德华异质结光电极用于光电化学分解水。目前，该类范德华异质结在太阳能转化应用方面还处在起步阶段，太阳能转化效率有待进一步提高，在表面及界面调控方面存在着诸多挑战。本综述论文基于石墨烯和TMDs范德华异质结在光伏和光电催化方面的应用，从基本原理、材料基本结构与性质、能带排布、界面调控策略、挑战与展望等多个方面进行了分析、讨论和总结，在界面调控方面提出了有益的见解，对范德华异质结太阳能转化器件的性能优化有重要的指导作用。

本文的通讯作者为清华大学材料学院朱宏伟教授和日本东京大学机械工程系Jean-Jacques Delaunay教授，第一作者为清华大学材料学院博士后李昌黎。其他重要作者包括东京大学博士生曹祺、电子科技大学博士后王法则和电子科技大学基础与前沿研究院李严波教授。本工作受到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目的资助。《化学学会评论》是英国皇家化学会旗下的综述类学术期刊，该期刊目前影响因子为38.618。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/CS/C8CS00067K

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