在照片采集应用中使用二维材料

随着世界寻求逐步淘汰化石燃料，转而使用更清洁的可再生能源，人们正在投入更多努力来改进现有的可再生技术，并创造能够以新方式利用可再生能源的设备。阳光是目前使用最多的可再生能源之一——以太阳能电池的形式——但也有许多其他方式可以利用阳光来产生能量。

考虑到每天照射地球的太阳光量，基于太阳能的能量收集设备有很大的潜力成为更清洁和更绿色社会的领跑者之一，并扩大其作为领先的可再生技术之一的现有地位. 设计人员正在许多此类太阳能收集系统中测试和使用二维材料，从在太阳能电池中广泛使用石墨烯到在光催化和光热收集方法中使用不同的二维材料。

光伏（太阳能电池）

在现有的所有太阳能收集方法和技术中，太阳能电池是迄今为止最商业化、最受欢迎和最有效的选择。存在几种由硅和钙钛矿材料组成的块状太阳能电池。此外，正在开发多种方法，其中使用 2D 材料（和其他纳米材料）来提高体硅太阳能电池的性能或提供一种制造更薄和/或更灵活的太阳能电池的方法。在后者中，已经有许多柔性有机太阳能电池；然而，活性材料的性能往往比无机材料低得多，因此 2D 材料提供了一种提供更薄且性能大大提高的太阳能电池的方法。

在许多设备中，掺杂石墨烯已被用作太阳能电池内半导体光伏结中的光敏材料，有时单独使用，有时与体积较大的太阳能电池中的硅结合使用。除此之外，石墨烯及其衍生物被吹捧为空穴传输层的替代品，而不是昂贵的贵金属，如银和金，以试图降低大型太阳能电池的成本。石墨烯还与硅一起用于许多其他混合设备，包括制造更薄、灵活和半透明的太阳能电池。

虽然石墨烯最受关注，但石墨烯和过渡金属二硫化物 (TMDC) 正被集成到不同的太阳能电池中——因为它们的稳定性和对几种潜在降解刺激的抵抗力——以提高它们的长期稳定性并确保它们以最佳方式运行更长。这些二维材料正被集成到商业层面的各种块状太阳能电池中，包括硅和钙钛矿太阳能电池以及串联太阳能电池。

近年来，人们对柔性太阳能电池的兴趣显着增长，虽然石墨烯是第一种用于太阳能电池测试的二维材料，但此后该领域不断扩大，并将继续扩大。最近，TMDC 已与石墨烯一起用于制造高效、灵活的太阳能电池，钙钛矿材料现在被制成二维片材，以尝试效仿体积更大的钙钛矿太阳能电池的成功——但是以更小、更灵活的太阳能电池的形式. 二维钙钛矿太阳能电池尚未达到体积更大的太阳能电池的高度，但它是二维家族的新成员，因此它们仍有足够的时间在二维材料增强型太阳能电池中发挥作用.

光催化收获

光催化反应产生新的更环保的燃料，并且不同于直接输出电力的许多其他能量收集技术。在光催化收集中，收集来自太阳光的能量以生产燃料，然后可用于为设备和电子系统供电。目前，光催化收集是水分解技术生产氢燃料的一种很有前途的方法。

当使用半导体材料时会发生光催化收获。发生光催化收集是因为来自太阳光的光子（具有高能量）一旦被吸收就会在半导体材料中产生电子空穴对。然而，这些光生激发态往往不稳定，因此载流子会重新结合。在此分离和复合过程中，电子和空穴在材料表面传输，从而还原或氧化吸收的原子。正是这个过程导致氢气的产生，并且有一个类似的光催化过程也可用于产生氧分子（通常同时发生）。

可以使用多种材料引发光催化反应，并且许多不同的半导体二维材料用于这些光催化收集反应。在许多情况下，二维片材的暴露边缘为光催化反应的发生提供了一个有效的场所。TMDC，例如二硫化钼，已经引起了极大的兴趣，因为这些薄片可以主动吸收氢离子。石墨烯及其衍生物，尤其是使它们成为半导体的掺杂版本，也是经过充分测试的材料，因为石墨烯和 TMDC 的高表面积，以及它们的吸收和导电特性，使它们成为析氢反应 (HER) 的合适催化位点来生产氢燃料。

光热收集

光热收集方法再次为许多传统的太阳能收集技术提供了不同的方法。在这些收集方法中，光热材料用于吸收光能并将其转化为热能。二维材料具有一系列光学特性，可用于吸收光波并随后将其转化为热能，其中一些二维材料表现出其他材料类别所没有的独特光学特性，而其他材料则具有非常有益的特性一般来说。

众所周知，二维材料可以吸收宽光谱范围内的电磁辐射波长，包括可见光和近红外区域。然而，这些应用程序非常不同，因为这些方法通常用于医疗应用程序以实现不同的治疗。光的吸收和热量的产生意味着可以在不需要更具侵入性的方法的情况下进行不同的医学治疗。例如，热量以振动能的形式产生，这种能量可用于靶向和杀死癌细胞。这是一种本质上更小众的方法。虽然它不为设备供电，但不同的二维材料——从石墨烯衍生物到 TMDC，再到 MXenes——正被用于收集光以提供新的高效医疗。

结论

太阳能电池形式的太阳能收集已经是一项成熟的技术，但二维材料提供了一种提高太阳能电池效率和长期稳定性的方法，并提供了创造薄、灵活和透明太阳能的新方法细胞。除了太阳能电池，二维材料还具有通过光催化反应产生氢燃料和为先进的癌症疗法收集光的巨大潜力。随着现代社会寻求更多利用自然环境的方法，二维材料提供了一种有效地将太阳光线收集成可用输出的方法。

 

审核编辑 黄昊宇