211service.com
Onderzoekstips voor het fotovoltaïsche potentieel van grafeen
Onderzoekers hebben aangetoond dat grafeen zeer efficiënt is in het genereren van elektronen bij het absorberen van licht, wat suggereert dat het materiaal kan worden gebruikt om lichtsensoren en misschien zelfs efficiëntere zonnecellen te maken.
Conventionele materialen die licht omzetten in elektriciteit, zoals silicium en galliumarsenide, genereren een enkel elektron voor elk geabsorbeerd foton. Omdat een foton meer energie bevat dan één elektron kan dragen, gaat veel van de energie in het binnenkomende licht verloren als warmte. Nieuw onderzoek onthult nu dat wanneer grafeen een foton absorbeert, het meerdere elektronen genereert die een stroom kunnen aandrijven. Dit betekent dat als grafeenapparaten voor het omzetten van licht in elektriciteit tot wasdom komen, ze efficiënter zouden kunnen zijn dan de apparaten die tegenwoordig vaak worden gebruikt.
Eerder theoretisch werk had de hoop gewekt dat grafeen deze eigenschap had, zegt Frank Koppens , een groepsleider bij de Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Spanje, die het onderzoek leidde. Hij zegt het nieuwe resultaat, deze week beschreven in Natuurfysica , vertegenwoordigt het eerste experimentele bewijs.
Om het experiment uit te voeren, gebruikten de onderzoekers twee ultrasnelle lichtpulsen. De eerste stuurde een voorgeschreven hoeveelheid energie naar een enkele laag grafeen. De tweede diende als een sonde die de elektronen telde die de eerste opwekte.
PV-potentieel: Van grafeen, waarvan de atomaire structuur te zien is in deze conceptuele illustratie, is aangetoond dat het veelbelovende optische eigenschappen heeft.
Koppens zegt dat het fenomeen dat in het nieuwe artikel wordt beschreven waarschijnlijk de meest directe impact zal hebben op het gebied van beelddetectie; zijn lab werkt aan een prototype apparaat. Hij is er redelijk zeker van dat de groep de prestaties kan verbeteren van lichtsensoren zoals die worden gebruikt in camera's, nachtkijkers en bepaalde medische sensoren.
Onder de medewerkers van Koppens waren MIT-professor natuurkunde Leonid Levitov en Justin Chien Wen Song, een afgestudeerde student in het laboratorium van Levitov, die Koppens hielp de gegevens te interpreteren door middel van theoretische modellering.
Hoewel het werk alleen hints naar mogelijke toepassingen op zonne-energie, laat het zien dat grafeen in aanmerking kan komen voor gebruik in zogenaamde derde generatie zonnecellen. De term verwijst naar nog te ontwikkelen technologieën die de fysieke limieten van conventionele zonnecellen zouden overschrijden en een veel hogere efficiëntie zouden bereiken. De huidige siliciumcellen hebben een theoretische efficiëntielimiet van ongeveer 30 procent. Zonnecellen gemaakt van grafeen hebben mogelijk een theoretische limiet van meer dan 60 procent.
Koppens zegt dat veel technische uitdagingen dat in de weg staan, en niet de minste daarvan is het uitzoeken hoe stroom uit het systeem kan worden gehaald.
Het nieuwe artikel illustreert een zeer belangrijk concept, aangezien toekomstige apparaten zullen afhangen van een goed begrip van de fysieke processen die plaatsvinden wanneer grafeen licht absorbeert, zegt Andrea Ferrari , een professor in nanotechnologie aan de Universiteit van Cambridge in het VK. Ferrari, die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat hij en zijn collega's een nog niet gepubliceerd artikel hebben dat een soortgelijk resultaat beschrijft. Het aantonen van deze eigenschap in grafeen opent een veelbelovend nieuw onderzoeksgebied, zegt hij.
Grafeen was al spannend als fotovoltaïsch materiaal vanwege zijn unieke optische eigenschappen, legt Ferrari uit. Het materiaal kan werken met elke mogelijke golflengte die je maar kunt bedenken, zegt hij. Er is geen ander materiaal ter wereld met dit gedrag. Het is ook flexibel, robuust, relatief goedkoop en gemakkelijk te integreren met andere materialen. Het nieuwe onderzoek voegt een derde interessante laag toe aan grafeen voor optica, zegt hij.