范德比尔特大学的研究人员最近创建了第一个由硅制成的超级电容器，这种新型超级电容器为太阳能电池技术和移动电子技术带来了许多非常有趣的可能性。研究人员特别指出，有可能开发出可以全天24小时供电的太阳能电池，也有可能开发出可以在几秒钟内充电并在充电之间连续工作几周的手机。
新型超级电容器的强大优势在于，由于它是由硅制成的，因此可以简单地与它所供电的微电子电路一起并入硅芯片中。研究人员甚至提到有可能“利用当前太阳能电池，传感器，移动电话和各种其他机电设备中存在的多余硅来构造这些功率电池，从而节省大量成本”。
靠近特殊炉子的多孔表面的硅芯片，在该硅芯片上涂覆了石墨烯以形成超级电容器电极。图片来源：乔·豪威尔/范德比尔特
“如果您问专家用硅制造超级电容器的问题，他们会告诉您这是一个疯狂的主意，”负责开发工作的机械工程助理教授卡里·平特（Cary Pint）说。“但是我们找到了一种简单的方法。”
迄今为止，大多数提高超级电容器能量密度的研究都集中在利用碳基纳米材料（例如石墨烯和纳米管）上，但是由于“用任何级别的控制水平在纳米级构造块中构建高性能，功能性设备的制造都非常困难” ，改进进展缓慢。因此，研究人员决定尝试一种全新的方法-利用多孔硅，一种通过电化学蚀刻硅晶片表面而制成的，具有可控且定义明确的纳米结构的材料。
范德比尔特大学提供详细信息：
这使研究人员能够为超级电容器电极创建具有最佳纳米结构的表面，但这给它们带来了主要问题。通常认为硅不适合用于超级电容器，因为硅容易与电解质中的一些化学物质发生反应，从而提供存储电荷的离子。
凭借增长碳纳米结构的经验，Pint的小组决定尝试用碳涂覆多孔硅表面。当研究人员将多孔硅从熔炉中取出时，他们发现硅已经从橙色变成紫色或黑色。当他们在强大的扫描电子显微镜下对其进行检查时，他们发现它看上去与原始材料几乎相同，但是上面覆盖着一层几纳米厚的石墨烯。
“我们不知道会发生什么，” Pint解释道。“通常，研究人员使用碳化硅材料在超过1400摄氏度的温度下生长石墨烯。但是在较低的温度（600到700摄氏度）下，我们当然没想到会出现类似石墨烯的材料增长。”
在测试了涂层材料之后，研究人员发现它已经化学稳定了硅表面-并且，当将其用于制造超级电容器时，石墨烯涂层“将能量密度比未涂层多孔硅制成的能量密度提高了两个数量级。并且明显优于商用超级电容器。”
研究人员认为，这种方法很可能并非特定于石墨烯。Pint认为：“用原子上薄薄的材料层对表面进行工程处理的能力，再加上在设计多孔材料时所实现的控制能力，为除能量存储之外的许多其他应用提供了机会。
“尽管我们实现了出色的设备性能，但我们的目标并不是创造具有创纪录性能的设备，” Pint继续说道。“这是为集成储能制定路线图。硅是值得关注的理想材料，因为硅是我们现代技术和应用的基础。此外，现有设备中的大多数硅仍未使用，因为生产薄硅片非常昂贵且浪费。”
研究人员现在正在遵循这种思路-寻求开发可以内置到太阳能电池的多余材料和/或未使用的背面中的能量存储。
这项新研究在《科学报告》杂志上发表的一篇论文中进行了详细介绍。
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