Grafén forsterker lysets kraft

Får du grafén til å absorbere én eneste lyspartikkel, kan du få mange elektroner tilbake.

(Foto: iStockphoto)
(Foto: iStockphoto)

Grafén, fysikkens superstjerne, er litt som han gutten i klassen som er flink i alt - pen, morsom og sjarmerende; og omtrent ukentlig kommer nye rapporter om stoffets mange bruksområder og egenskaper.

Årsakene til materialets popularitet er mange. Stoffet er supersterkt, enkelt å fremstille og er blitt spådd å revolusjonere alt fra dataelektronikk til fornybar energi.

Ett av materialets mange spennende bruksområder er som komponent i lyshøstende teknologi som solcellepaneler.

forskning.no har tidligere skrevet om den norskutviklede teknologien hvor grafén blir brukt som komponent i utviklingen av halvledere til blant annet solceller.

Nå tyder ny forskning på at grafén i fremtiden kan utvikles til å omdanne lys til energi på egenhånd.

Multipliserer lysenergi

En internasjonal forskningsgruppe har nylig gjort funn som viser at grafén har evnen til å omdanne en enkelt lyspartikkel, eller foton, til flere elektroner som leder elektrisk strøm.

– I de fleste materialer vil ett absorbert foton generere ett elektron. Men når det gjelder grafén ser vi at ett absorbert foton er i stand til å frigjøre mange elektroner og derfor en større mengde elektrisk strøm, forklarer Frank Koppens, gruppeleder ved Institute of Photonic Science ved Polytechnic University of Catalonia.

Forskerne sendte et kjent antall fotoner med forskjellige farger, eller ulike energier, på et enkelt lag med grafén.

Lyspartiklene med høy energi, for eksempel fiolett, ble omdannet til et større antall elektroner enn fotoner med lavere energi, som infrarød, ifølge Klaas-Jan Tielrooij, en av forskerne bak funnet.

Forskjellig fra halvledere

Helge Weman, professor i nanoelektronikk ved NTNU, synes oppdagelsen er meget interessant. Han leder forskningsgruppen som har utviklet et solcellemateriale av galliumarsenid ved hjelp av grafén.

– Det som er interessant med dette funnet er at når et foton absorberes i grafén, skapes flere elektroner samtidig, og jo høyere energi fotonet har, desto flere elektroner skapes. Dette skiller seg fundamentalt fra hvordan elektroner skapes i en halvleder som for eksempel sisilium, der ett foton skaper én eller ingen elektroner.

Ikke optimal

Et stort problem for bruk av grafén som solcellemateriale, er at det har en lav evne til å absorbere lys.

Det betyr at selv om materialet er meget effektivt til å omdanne lys til energi når det først absorberer lyspartikler, fanger det opp for få fotoner til at det er effektivt nok til å danke ut allerede etablerte halvledere som brukes i solcelleteknologi.

– Grafén har en forholdsvis dårlig absorpsjonsevne fordi det bare består av ett eneste lag med karbonatomer og absorberer 2,3 prosent av lyset. Men for å være så tynt er det egentlig en veldig høy absorpsjon, sier Weman.

Et stykke igjen

Weman peker på at forskerne i den nye studien ikke viser hvordan disse ekstra elektronene leder til en effektiv foto-voltaisk effekt, eller omdannelse av lys til strøm, og forskerne innrømmer selv at det er et stykke igjen til oppdagelsen kan anvendes i teknologi.

Likevel mener forskerne bak undersøkelsen at funnet har et stort potensiale til å radikalt endre teknologier som nå er basert på halvledere.

– Vår neste utfordring blir å finne måter å utvinne den elektriske strømmen og forbedre grafénets absorpsjonsevne. Da vil vi kunne designe enheter som genererer meget effektiv solkraft, avslutter Frank Koppens.

Referanse:

Frank Koppens et.al., Photoexcitation cascade and multiple hot-carrier generation in graphene, Nature, februar 2013 (sammendrag)

Powered by Labrador CMS