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  近日，清華大學材料學院朱宏偉教授團隊與合作者在英國皇家化學學會旗下的《化學學會評論》（Chemical Society Reviews）上發表了題為“基于石墨烯和過渡金屬二硫屬化合物范德華異質結的光伏與光電化學能量轉換”（Engineering graphene and TMDs based van der Waals heterostructures for photovoltaic and photoelectrochemical solar energy conversion）的長篇綜述文章，綜述了基于石墨烯和過渡金屬硫化物（TMDs）的二維/二維（2D/2D）、二維/三維（2D/3D）范德華異質結在太陽能轉化應用方面的最新進展，討論了其與傳統太陽能電池和光電極的差異性及潛在優勢，分析了光電轉換過程中的物理和化學及界面光生載流子傳輸行為，總結了不同界面調控方法對異質結光電性能的影響，展望了二維材料異質結在光伏、光電化學等領域現階段存在的問題及面臨的挑戰。最后針對目前范德華異質結太陽能電池和光電極的不足，提出了相關策略以增加其光電轉換效率。

圖1  二維范德華異質及光電器件示意圖

  石墨烯是一種由碳原子組成的穩定且可自支持的二維材料，具有高載流子遷移率、良好的透光性及優異的電子傳輸性能。石墨烯可作為透明導電極和載流子傳輸層用于光伏太陽能電池。但是，零帶隙石墨烯的吸光性可調性較差，無法作為吸光層用于太陽能轉化。TMDs具有多種電子能帶結構，涵蓋了絕緣體（如HfS2）、金屬（如NbS2，VSe2）、半導體（如MoS2、WS2和WSe2）等材料，因而彌補了石墨烯不能有效吸收太陽光的缺點。具有半導體性質的TMDs的帶隙一般在1~2 eV之間，其吸光范圍與太陽光譜相契合且可媲美傳統窄帶隙半導體材料，如Si（1.1 eV）、GaAs（1.4 eV）和CdTe（1.5 eV）。大部分TMDs具有獨特的能帶結構，隨著層數的減少，帶隙逐漸增加，當材料為單層時，能帶結構從塊狀半導體的間接帶隙轉變為單層半導體的直接帶隙。超薄的2D TMDs具有優異的吸光和很短的激子傳輸路徑，理論上可降低載流子復合率，在太陽能轉化方面具有很大的潛在應用價值。石墨烯和不同的2D TMDs可以組合成任意的2D/2D和2D/3D范德華異質結同時不用考慮晶格匹配的問題，為實現超薄、柔性且高效的太陽能電池提供了可能。除了應用于太陽能電池領域，利用TMDs優異的催化性能和穩定性，可以構建高效且穩定的范德華異質結光電極用于光電化學分解水。目前，該類范德華異質結在太陽能轉化應用方面還處在起步階段，太陽能轉化效率有待進一步提高，在表面及界面調控方面存在著諸多挑戰。本綜述論文基于石墨烯和TMDs范德華異質結在光伏和光電催化方面的應用，從基本原理、材料基本結構與性質、能帶排布、界面調控策略、挑戰與展望等多個方面進行了分析、討論和總結，在界面調控方面提出了有益的見解，對范德華異質結太陽能轉化器件的性能優化有重要的指導作用。

  本文的通訊作者為清華大學材料學院朱宏偉教授和日本東京大學機械工程系Jean-Jacques Delaunay教授，第一作者為清華大學材料學院博士后李昌黎。其他重要作者包括東京大學博士生曹祺、電子科技大學博士后王法則和電子科技大學基礎與前沿研究院李嚴波教授。本工作受到國家自然科學基金委基礎科學中心項目和面上項目的資助。《化學學會評論》是英國皇家化學會旗下的綜述類學術期刊，該期刊目前影響因子為38.618。

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