多国科学家合作研发新材料替代硅，力图改善太阳能转换率

工业革命给我们带来技术变革的同时也带来了全球变暖，正如2015年巴黎气候协议会议中所说的那样，这已经成为人类最迫切需要解决的问题。减缓温室效应，将全球变暖的温度控制在两摄氏度以下，要达到这个目标，温室气体的排放量必须大幅减少。为此，我们需要一场全球能源革命，在这种趋势的推动下，石油、天然气和煤炭等化石燃料在很大程度上将会被可再生能源取代。

目前这种替代趋势已经日趋明显，各级政府也极力支持各种新能源的发展，尤其是太阳能。然而，在实现这些气候目标方面我们依旧遇到难题，这个原因想必大家也都知道，事关太阳能的低利用率。

一位在美国加利福尼亚大学任教，曾在德国耶拿•弗里德里希•席勒大学获得博士学位的物理学家Zürch博士对目前新能源的发展趋势有自己的见解，他说：“目前使用的硅基太阳能组件效率最高可达20％，换句话说，照目前的情形发展，超过四分之三的太阳能都会被浪费掉。但如果我们拥有更好的太阳能技术，那么加速能源转变一定是可能的。现在我们需要的找到一种新材料替代硅，使太阳能更有效地转换成电能。”

MichaelZürch博士研发的半导体材料可取代太阳能电池组件中的硅。（图片来源：德国耶拿大学）

他有一个长达四年的计划，希望在美国与德国耶拿大学量子电子系主任以及法国的合作伙伴一起进行一个“探索能源”的研究项目，试图找到硅的合适替代品。这个计划也是德法两国利民计划的一部分，德国学术交流服务机构将为该项目提供资金，到2022年总共将获得大约100万欧元的资金赞助。

目前能够取代太阳能组件中硅的一类材料是二维层状半导体纳米材料，它们仅有几个原子厚度，通常表现出非常优异的光学和电子特性，这些特点使它们非常适合用作半导体。

在这类材料中，最为大家所熟知的就是石墨烯。但鉴于大尺寸的石墨烯很难保持优异性能，耶拿大学的物理学家想要探索一种迄今为止还没有研究过的新材料——过渡金属二硫族化合物。Zürch博士解释说：“过渡金属二硫族化合物是种复合材料，它的性质决定于它的成分，因此设计性很强可用于各类应用。”

但是难题依然存在，因为这类材料科学家以前涉足甚少，所以它与光相互作用的基本过程也无人得知。并且在纳米效应的影响下，这些材料的对光的物理响应过程非常迅速。目前这只研究团队们想仔细研究这些性质，以评估它们是否能作为太阳能硅材料的替代品。

“我们打算在光照条件下观察材料中的电荷载体，我们会借助高性能超短脉冲激光器的快速记录功能。这种快照记录时电子仅持续几百个阿秒（一阿秒是十分之一秒），这是光子经过水分子要用的时间，希望在它的帮助下记录到过渡金属二硫族化合物的光作用过程。” Zürch博士补充道。

虽然目前的研究工作主要是存粹的基础研究，但从长远来看，这种材料若能兴起，就可能推动新能源的发展进程，使太阳能技术真正落实到生活的每一处。

本文来源于nanowerk，由材料新闻在线团队编译，原文标题为New solar technology with 2D semiconductor nanomaterials.