能源和环境危机给当今世界发展提出了巨大挑战。硅太阳能电池的出现为应对这个挑战提供了可行、有效的解决方案。而硅界面及其纳米加工工艺造成的高反射和表面重组损失是实现高能量转换效率的主要障碍。最近的进展表明，通过利用具有光学和电气特性的二维材料适当的对硅界面进行修饰，在提高器件性能方面取得了巨大成功。如何将大面积二维材料与三维硅纳米结构牢固地、没有间隙地集成在一起是优化器件性能关键因素。由于纳米结构复杂的三维形态，现有技术很难突破这一瓶颈。
近期，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）贾宝华教授课题组提出了一种石墨烯超材料三维共形包覆概念(graphene metamaterials 3D conformal coating)，如图1所示。其中二维石墨烯可完美地适应三维硅结构曲面，使得光学反射降低20%，表面钝化性能提高60%；随后这种石墨烯超材料三维共形包覆概念被进一步将应用于标准硅太阳能电池，使太阳能转换效率总体提高了23%（如图2）。三维共形包覆概念还可以很容易地扩展到各种具有优异性能的光电和半导体器件中，为实现高效能量获取和存储开辟了一条实用且有前景的途径。
图1 （a）石墨烯超材料三维共形包覆概念示意图。（b）扫描电子显微镜表征三维共形包覆过程。从左到右分别为，材料悬浮于三维硅纳米柱顶端，部分和完全三维共形包覆。
图2 （a）石墨烯包覆太阳能电池示意图。（b, c）扫描电子显微镜表征石墨烯复合太阳能电池表面形貌。（d-f）石墨烯太阳能电池表征数据，分别为光学反射，EQE，和J-V曲线。（g, h）未包覆太阳能电池和石墨烯太阳能电池的少子寿命分布图。（i）转换效率稳定性实验数据图。
该工作以“Graphene Metamaterials 3D Conformal Coating for Enhanced Light Harvesting”为题发表在《ACS Nano》上, (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10529)澳大利亚斯威本科技大学杨云翼博士和上海理工大学张轶楠博士为该论文的第一作者，RMIT大学贾宝华教授为通讯作者。
作者简介
Yunyi Yang, Yinan Zhang, Jie Zhang, Xiaorui Zheng, Zhixing Gan, Han Lin, Minghui Hong, and Baohua Jia,
澳大利亚斯威本科技大学，埃米材料转化中心，贾宝华教授课题组。该团队致力于新型埃米材料的设计，加工及应用的研究。通过调控激光束，可以随意控制原子材料的反应路径，从而选择性地去除、排列和生成所需的键，从而实现对材料原子级结构单元的完全基本操作。这种层状超材料将具有独特的光学、电学或机械性能。原子级新型材料可以广泛应用于能源生产和存储、生物科学和医疗健康产业、航空航天传感器以及光通信和计算领域。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10529
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