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Forschungshinweise zum photovoltaischen Potenzial von Graphen
Forscher haben gezeigt, dass Graphen bei der Absorption von Licht sehr effizient Elektronen erzeugt, was darauf hindeutet, dass das Material zur Herstellung von Lichtsensoren und vielleicht noch effizienteren Solarzellen verwendet werden könnte.
Herkömmliche Materialien, die Licht in Elektrizität umwandeln, wie Silizium und Galliumarsenid, erzeugen für jedes absorbierte Photon ein einzelnes Elektron. Da ein Photon mehr Energie enthält, als ein Elektron tragen kann, geht ein Großteil der im einfallenden Licht enthaltenen Energie als Wärme verloren. Neue Forschungen zeigen nun, dass Graphen, wenn es ein Photon absorbiert, mehrere Elektronen erzeugt, die einen Strom treiben können. Dies bedeutet, dass, wenn Graphen-Geräte zur Umwandlung von Licht in Elektrizität zum Tragen kommen, diese effizienter sein könnten als die heute üblicherweise verwendeten Geräte.
Frühere theoretische Arbeiten hatten die Hoffnung geweckt, dass Graphen diese Eigenschaft hat, sagt Frank Koppens , ein Gruppenleiter an der Institut für Photonische Wissenschaften in Spanien, der die Forschung leitete. Er sagt das neue Ergebnis, beschrieben in dieser Woche in Naturphysik , stellt den ersten experimentellen Beweis dar.
Um das Experiment durchzuführen, verwendeten die Forscher zwei ultraschnelle Lichtpulse. Die erste schickte eine vorgeschriebene Energiemenge in eine einzelne Graphenschicht. Die zweite diente als Sonde, die die Elektronen zählte, die die erste erzeugte.
PV-Potenzial: Graphen, dessen atomare Struktur in dieser konzeptionellen Illustration zu sehen ist, hat vielversprechende optische Eigenschaften.
Koppens sagt, dass das in dem neuen Papier beschriebene Phänomen wahrscheinlich die unmittelbarsten Auswirkungen auf den Bereich der Bilderfassung haben wird; Sein Labor arbeitet an einem Prototypen. Er ist ziemlich zuversichtlich, dass die Gruppe die Leistung von Lichtsensoren, wie sie in Kameras, Nachtsichtbrillen und bestimmten medizinischen Sensoren verwendet werden, verbessern kann.
Zu Koppens’ Mitarbeitern gehörten Physikprofessor am MIT Leonid Levitov und Justin Chien Wen Song, ein Doktorand in Levitovs Labor, der Koppens bei der Interpretation der Daten durch theoretische Modellierung half.
Obwohl die Arbeit nur Hinweise auf mögliche Solaranwendungen gibt, zeigt sie, dass Graphen als Kandidat für den Einsatz in sogenannten Solarzellen der dritten Generation in Frage kommen könnte. Der Begriff bezieht sich auf noch zu entwickelnde Technologien, die die physikalischen Grenzen konventioneller Solarzellen überwinden und deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen würden. Heutige Siliziumzellen haben eine theoretische Wirkungsgradgrenze von rund 30 Prozent. Solarzellen aus Graphen könnten eine theoretische Grenze von über 60 Prozent haben.
Laut Koppens stehen dem jedoch viele technische Herausforderungen im Weg, nicht zuletzt die Frage, wie man Energie aus dem System gewinnen kann.
Das neue Papier illustriert ein sehr wichtiges Konzept, da zukünftige Geräte vom Verständnis der physikalischen Prozesse abhängen, die bei der Absorption von Licht durch Graphen auftreten, sagt Andrea Ferrari , ein Professor für Nanotechnologie an der University of Cambridge im Vereinigten Königreich Ferrari, der nicht an dieser Forschung beteiligt war, sagt, dass er und Kollegen ein noch unveröffentlichtes Papier haben, das ein ähnliches Ergebnis beschreibt. Der Nachweis dieser Eigenschaft in Graphen eröffnet ein vielversprechendes neues Forschungsgebiet, sagt er.
Graphen sei schon wegen seiner einzigartigen optischen Eigenschaften als photovoltaisches Material spannend gewesen, erklärt Ferrari. Das Material kann mit jeder erdenklichen Wellenlänge arbeiten, sagt er. Es gibt kein anderes Material auf der Welt mit diesem Verhalten. Außerdem ist es flexibel, robust, relativ günstig und lässt sich leicht in andere Materialien integrieren. Die neue Forschung fügt Graphen für die Optik eine dritte interessante Schicht hinzu, sagt er.