science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Hoe grafeen en vrienden de energie van de zon kunnen benutten

Artistieke impressie van grafeen moleculen. Krediet:Universiteit van Manchester

(Phys.org) - Door wondermateriaal grafeen te combineren met andere verbluffende materialen van één atoom dik, zou de volgende generatie zonnecellen en opto-elektronische apparaten kunnen ontstaan, wetenschappers hebben onthuld.

Onderzoekers van de Universiteit van Manchester en de National University of Singapore hebben aangetoond hoe het bouwen van meerlagige heterostructuren in een driedimensionale stapel een opwindend fysiek fenomeen kan produceren bij het verkennen van nieuwe elektronische apparaten.

De doorbraak, gepubliceerd in Wetenschap , zou kunnen leiden tot elektrische energie die hele gebouwen laat draaien die worden gegenereerd door zonlicht dat wordt geabsorbeerd door de blootgestelde muren; de energie kan naar believen worden gebruikt om de transparantie en reflectiviteit van armaturen en ramen te veranderen, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, zoals temperatuur en helderheid.

De isolatie van grafeen, door de Universiteit van Manchester Nobelprijswinnaars Professor Andre Geim en Professor Kostya Novoselov in 2004, leidde tot de ontdekking van de hele nieuwe familie van één-atoom-dikke materialen.

Grafeen is 's werelds dunste, sterkste en meest geleidende materiaal, en heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in een groot aantal uiteenlopende toepassingen; van smartphones en ultrasnelle breedband tot medicijnafgifte en computerchips.

De isolatie van grafeen leidde ook tot de ontdekking van een hele nieuwe familie van materialen van één atoom dik.

collectief, dergelijke 2D-kristallen vertonen een breed scala aan overtreffende trap eigenschappen:van geleidend tot isolerend, van ondoorzichtig tot transparant. Elke nieuwe laag in deze stapels voegt spannende nieuwe functies toe, dus de heterostructuren zijn ideaal voor het creëren van nieuwe, multifunctionele apparaten.

Eén plus één is meer dan twee - de combinaties van 2D-kristallen stellen onderzoekers in staat om functionaliteit te bereiken die niet beschikbaar is voor een van de afzonderlijke materialen.

De onderzoekers uit Manchester en Singapore breidden de functionaliteit van deze heterostructuren uit naar opto-elektronica en fotonica. Door grafeen te combineren met monolagen van overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC), de onderzoekers waren in staat om uiterst gevoelige en efficiënte fotovoltaïsche apparaten te maken. Dergelijke apparaten kunnen mogelijk worden gebruikt als ultragevoelige fotodetectoren of zeer efficiënte zonnecellen.

Bij deze apparaten lagen TMDC werden ingeklemd tussen twee lagen grafeen, door de opwindende eigenschappen van beide 2D-kristallen te combineren. TMDC-lagen werken als zeer efficiënte lichtabsorbers en grafeen als een transparante geleidende laag. Dit maakt verdere integratie van dergelijke fotovoltaïsche apparaten in complexere, meer multifunctionele heterostructuren.

Professor Novoselov zei:"We zijn enthousiast over de nieuwe fysica en nieuwe mogelijkheden die ons worden geboden door heterostructuren op basis van 2D-atoomkristallen. De bibliotheek met beschikbare 2D-kristallen is al behoorlijk rijk, die een grote parameterruimte bestrijken.

"Dergelijke fotoactieve heterostructuren voegen nieuwe mogelijkheden toe, en de weg vrijmaken voor nieuwe soorten experimenten. Naarmate we steeds complexere heterostructuren creëren, zodat de functionaliteiten van de apparaten rijker worden, het rijk van multifunctionele apparaten betreden."

Onderzoeker en hoofdauteur van de Universiteit van Manchester, Dr. Liam Britnell, voegde toe:"Het was indrukwekkend hoe snel we van het idee van dergelijke lichtgevoelige heterostructuren overgingen naar het werkende apparaat. Het werkte praktisch vanaf het begin en zelfs de meest niet-geoptimaliseerde structuren vertoonden zeer respectabele kenmerken"

Professor Antonio Castro Neto, Directeur van het Graphene Research Centre van de National University of Singapore voegde toe:"We waren in staat om de ideale combinatie van materialen te identificeren:zeer lichtgevoelige TMDC en optisch transparant en geleidend grafeen, die samen een zeer efficiënt fotovoltaïsch apparaat creëren.

"We zijn er zeker van dat we, naarmate we meer onderzoek doen naar het gebied van 2D-atoomkristallen, meer van dergelijke complementaire materialen kunnen identificeren en complexere heterostructuren met meerdere functionaliteiten kunnen creëren. Dit is echt een open veld en we zullen het verkennen."

Dr. Cinzia Casiraghi, van de Universiteit van Manchester, toegevoegd:"Lichtgevoelige heterostructuren zouden een weg openen voor andere heterostructuren met nieuwe functionaliteiten. in de toekomst plannen we voor een goedkopere en efficiëntere heterostructuur voor fotovoltaïsche toepassingen."