在照片采集應(yīng)用中使用二維材料

隨著世界尋求逐步淘汰化石燃料，轉(zhuǎn)而使用更清潔的可再生能源，人們正在投入更多努力來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的可再生技術(shù)，并創(chuàng)造能夠以新方式利用可再生能源的設(shè)備。陽(yáng)光是目前使用最多的可再生能源之一——以太陽(yáng)能電池的形式——但也有許多其他方式可以利用陽(yáng)光來(lái)產(chǎn)生能量。

考慮到每天照射地球的太陽(yáng)光量，基于太陽(yáng)能的能量收集設(shè)備有很大的潛力成為更清潔和更綠色社會(huì)的領(lǐng)跑者之一，并擴(kuò)大其作為領(lǐng)先的可再生技術(shù)之一的現(xiàn)有地位. 設(shè)計(jì)人員正在許多此類太陽(yáng)能收集系統(tǒng)中測(cè)試和使用二維材料，從在太陽(yáng)能電池中廣泛使用石墨烯到在光催化和光熱收集方法中使用不同的二維材料。

光伏（太陽(yáng)能電池）

在現(xiàn)有的所有太陽(yáng)能收集方法和技術(shù)中，太陽(yáng)能電池是迄今為止最商業(yè)化、最受歡迎和最有效的選擇。存在幾種由硅和鈣鈦礦材料組成的塊狀太陽(yáng)能電池。此外，正在開(kāi)發(fā)多種方法，其中使用 2D 材料（和其他納米材料）來(lái)提高體硅太陽(yáng)能電池的性能或提供一種制造更薄和/或更靈活的太陽(yáng)能電池的方法。在后者中，已經(jīng)有許多柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池；然而，活性材料的性能往往比無(wú)機(jī)材料低得多，因此 2D 材料提供了一種提供更薄且性能大大提高的太陽(yáng)能電池的方法。

在許多設(shè)備中，摻雜石墨烯已被用作太陽(yáng)能電池內(nèi)半導(dǎo)體光伏結(jié)中的光敏材料，有時(shí)單獨(dú)使用，有時(shí)與體積較大的太陽(yáng)能電池中的硅結(jié)合使用。除此之外，石墨烯及其衍生物被吹捧為空穴傳輸層的替代品，而不是昂貴的貴金屬，如銀和金，以試圖降低大型太陽(yáng)能電池的成本。石墨烯還與硅一起用于許多其他混合設(shè)備，包括制造更薄、靈活和半透明的太陽(yáng)能電池。

雖然石墨烯最受關(guān)注，但石墨烯和過(guò)渡金屬二硫化物 (TMDC) 正被集成到不同的太陽(yáng)能電池中——因?yàn)樗鼈兊姆€(wěn)定性和對(duì)幾種潛在降解刺激的抵抗力——以提高它們的長(zhǎng)期穩(wěn)定性并確保它們以最佳方式運(yùn)行更長(zhǎng)。這些二維材料正被集成到商業(yè)層面的各種塊狀太陽(yáng)能電池中，包括硅和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以及串聯(lián)太陽(yáng)能電池。

近年來(lái)，人們對(duì)柔性太陽(yáng)能電池的興趣顯著增長(zhǎng)，雖然石墨烯是第一種用于太陽(yáng)能電池測(cè)試的二維材料，但此后該領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，并將繼續(xù)擴(kuò)大。最近，TMDC 已與石墨烯一起用于制造高效、靈活的太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦材料現(xiàn)在被制成二維片材，以嘗試效仿體積更大的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成功——但是以更小、更靈活的太陽(yáng)能電池的形式. 二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚未達(dá)到體積更大的太陽(yáng)能電池的高度，但它是二維家族的新成員，因此它們?nèi)杂凶銐虻臅r(shí)間在二維材料增強(qiáng)型太陽(yáng)能電池中發(fā)揮作用.

光催化收獲

光催化反應(yīng)產(chǎn)生新的更環(huán)保的燃料，并且不同于直接輸出電力的許多其他能量收集技術(shù)。在光催化收集中，收集來(lái)自太陽(yáng)光的能量以生產(chǎn)燃料，然后可用于為設(shè)備和電子系統(tǒng)供電。目前，光催化收集是水分解技術(shù)生產(chǎn)氫燃料的一種很有前途的方法。

當(dāng)使用半導(dǎo)體材料時(shí)會(huì)發(fā)生光催化收獲。發(fā)生光催化收集是因?yàn)閬?lái)自太陽(yáng)光的光子（具有高能量）一旦被吸收就會(huì)在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。然而，這些光生激發(fā)態(tài)往往不穩(wěn)定，因此載流子會(huì)重新結(jié)合。在此分離和復(fù)合過(guò)程中，電子和空穴在材料表面?zhèn)鬏?，從而還原或氧化吸收的原子。正是這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致氫氣的產(chǎn)生，并且有一個(gè)類似的光催化過(guò)程也可用于產(chǎn)生氧分子（通常同時(shí)發(fā)生）。

可以使用多種材料引發(fā)光催化反應(yīng)，并且許多不同的半導(dǎo)體二維材料用于這些光催化收集反應(yīng)。在許多情況下，二維片材的暴露邊緣為光催化反應(yīng)的發(fā)生提供了一個(gè)有效的場(chǎng)所。TMDC，例如二硫化鉬，已經(jīng)引起了極大的興趣，因?yàn)檫@些薄片可以主動(dòng)吸收氫離子。石墨烯及其衍生物，尤其是使它們成為半導(dǎo)體的摻雜版本，也是經(jīng)過(guò)充分測(cè)試的材料，因?yàn)槭┖?TMDC 的高表面積，以及它們的吸收和導(dǎo)電特性，使它們成為析氫反應(yīng) (HER) 的合適催化位點(diǎn)來(lái)生產(chǎn)氫燃料。

光熱收集

光熱收集方法再次為許多傳統(tǒng)的太陽(yáng)能收集技術(shù)提供了不同的方法。在這些收集方法中，光熱材料用于吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能。二維材料具有一系列光學(xué)特性，可用于吸收光波并隨后將其轉(zhuǎn)化為熱能，其中一些二維材料表現(xiàn)出其他材料類別所沒(méi)有的獨(dú)特光學(xué)特性，而其他材料則具有非常有益的特性一般來(lái)說(shuō)。

眾所周知，二維材料可以吸收寬光譜范圍內(nèi)的電磁輻射波長(zhǎng)，包括可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域。然而，這些應(yīng)用程序非常不同，因?yàn)檫@些方法通常用于醫(yī)療應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)不同的治療。光的吸收和熱量的產(chǎn)生意味著可以在不需要更具侵入性的方法的情況下進(jìn)行不同的醫(yī)學(xué)治療。例如，熱量以振動(dòng)能的形式產(chǎn)生，這種能量可用于靶向和殺死癌細(xì)胞。這是一種本質(zhì)上更小眾的方法。雖然它不為設(shè)備供電，但不同的二維材料——從石墨烯衍生物到 TMDC，再到 MXenes——正被用于收集光以提供新的高效醫(yī)療。

結(jié)論

太陽(yáng)能電池形式的太陽(yáng)能收集已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但二維材料提供了一種提高太陽(yáng)能電池效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的方法，并提供了創(chuàng)造薄、靈活和透明太陽(yáng)能的新方法細(xì)胞。除了太陽(yáng)能電池，二維材料還具有通過(guò)光催化反應(yīng)產(chǎn)生氫燃料和為先進(jìn)的癌癥療法收集光的巨大潛力。隨著現(xiàn)代社會(huì)尋求更多利用自然環(huán)境的方法，二維材料提供了一種有效地將太陽(yáng)光線收集成可用輸出的方法。