Kan grafeen licht omzetten in elektriciteit? Wetenschappers hebben aangetoond dat grafeen een enkel foton kan omzetten in meerdere elektronen, veelbelovend voor toekomstige fotovoltaïsche apparaten.

Grafeen is een materiaal dat de laatste jaren enorm populair is geworden, vanwege de buitengewone sterkte en het lichte gewicht. Het kan worden gegenereerd door het letterlijk van grafiet af te pellen, of door het op verschillende materialen te laten groeien, waardoor de productie kosteneffectief is. Studies hebben laten doorschemeren dat grafeen ook kan worden gebruikt als fotovoltaïsch materiaal, licht omzetten in elektriciteit. Met behulp van een geavanceerde spectroscopische methode, wetenschappers van EPFL en medewerkers hebben aangetoond dat door het absorberen van een enkel foton, grafeen kan meerdere elektronen genereren die genoeg energie hebben om een ​​elektrische stroom aan te drijven. Het werk is gepubliceerd in Nano-letters .

Grafeen is fascinerend in termen van fundamentele fysica, omdat het beter is in het geleiden van elektriciteit bij kamertemperatuur dan b.v. koper, waardoor het ideaal is voor ultrasnelle circuits. In aanvulling, Van grafeen is aangetoond dat het elektriciteit geleidt nadat het licht heeft geabsorbeerd, wat betekent dat het ook in fotovoltaïsche apparaten kan worden gebruikt. Maar tot nu toe, het potentieel van grafeen voor efficiënte conversie van licht naar elektriciteit werd niet goed begrepen.

Dit is een uitdagende taak omdat deze conversie plaatsvindt op een femto-seconde schaal (10-15 sec; een quadriljoenste van een seconde), te snel voor conventionele technieken om elektronenbeweging te detecteren. Om dit obstakel te overwinnen, Jens Christian Johannsen van Marco Grioni's lab bij EPFL, met collega's van Aarhus University en ELETTRA in Italië, gebruikte een geavanceerde techniek genaamd "ultrasnelle tijd- en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie" (trARPES). De experimenten werden uitgevoerd in het wereldberoemde Rutherford Appleton Laboratory in Oxford.

Met deze methode, een klein monster grafeen wordt in een ultrahoge vacuümkamer geplaatst. Het grafeen wordt vervolgens geraakt met een ultrasnelle 'pomp'-puls van laserlicht. Dit prikkelt de elektronen in grafeen, ze "verhogen" naar hogere energietoestanden waar ze daadwerkelijk een elektrische stroom kunnen aandrijven. Terwijl de elektronen zich in die toestanden bevinden, het grafeenmonster wordt vertraagd geraakt, 'sonde'-puls die letterlijk een momentopname maakt van de energie die elk elektron op dat moment heeft. De reeks wordt snel herhaald voor verschillende tijdstippen, als een stop-motionfilm, en legt de dynamiek van de elektronen vast in een live-action reeks.

één foton, veel elektronen

De wetenschappers gebruikten "gedoteerde" monsters van grafeen, wat betekent dat ze er op chemische wijze elektronen aan toevoegden of aftrokken. Het experiment onthulde dat, wanneer gedoteerd grafeen een enkel foton absorbeert, dit kan meerdere elektronen opwekken en dit proportioneel doen aan de mate van doping. Het foton wekt een elektron op, die dan snel "terugvalt" naar zijn grondtoestand van energie. Zoals het dat doet, de "val" wekt gemiddeld nog twee elektronen op als een domino-effect. "Dit geeft aan dat een fotovoltaïsch apparaat dat gedoteerd grafeen gebruikt een aanzienlijke efficiëntie kan vertonen bij het omzetten van licht in elektriciteit", zegt Marco Grioni.

De wetenschappers hebben de allereerste directe waarneming gedaan van het foton-elektron-vermenigvuldigingseffect van grafeen, wat het materiaal tot een veelbelovende bouwsteen maakt voor elk apparaat dat afhankelijk is van het omzetten van licht in elektriciteit. Bijvoorbeeld, nieuwe fotovoltaïsche apparaten die grafeen gebruiken, kunnen lichtenergie over het hele zonnespectrum oogsten met een lager energieverlies dan de huidige systemen.

Voortbouwend op hun geavanceerde technologie en experimenteel succes, de wetenschappers zijn nu van plan soortgelijke effecten in andere tweedimensionale materialen te onderzoeken, zoals molybdeendisulfide (MoS ₂ ), een materiaal dat al in de schijnwerpers staat vanwege zijn opmerkelijke elektronische en katalytische eigenschappen.