Wskazówki badawcze dotyczące potencjału fotowoltaicznego grafenu

Naukowcy wykazali, że grafen jest wysoce wydajny w generowaniu elektronów po pochłanianiu światła, co sugeruje, że materiał ten mógłby zostać wykorzystany do produkcji czujników światła, a być może nawet bardziej wydajnych ogniw słonecznych.

Konwencjonalne materiały, które zamieniają światło w elektryczność, takie jak arsenek krzemu i galu, generują jeden elektron na każdy zaabsorbowany foton. Ponieważ foton zawiera więcej energii niż jeden elektron może przenieść, znaczna część energii zawartej w docierającym świetle jest tracona w postaci ciepła. Teraz nowe badania pokazują, że gdy grafen absorbuje foton, generuje wiele elektronów zdolnych do napędzania prądu. Oznacza to, że jeśli powstaną urządzenia grafenowe do konwersji światła na energię elektryczną, mogą być bardziej wydajne niż urządzenia powszechnie obecnie używane.

Wcześniejsze prace teoretyczne budziły nadzieję, że grafen ma tę właściwość, mówi Frank Koppens , lider grupy w Instytut Nauk Fotonicznych w Hiszpanii, który kierował badaniami. Mówi, że nowy wynik, opisany w tym tygodniu w Fizyka Przyrody , reprezentuje pierwszy dowód eksperymentalny.

Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali dwa ultraszybkie impulsy świetlne. Pierwszy wysyłał określoną ilość energii do pojedynczej warstwy grafenu. Drugi służył jako sonda, która zliczała elektrony wygenerowane przez pierwszą.

Potencjał PV: Wykazano, że grafen, którego strukturę atomową widać na tej ilustracji koncepcyjnej, ma obiecujące właściwości optyczne.

Koppens twierdzi, że zjawisko opisane w nowym artykule prawdopodobnie będzie miało najbardziej bezpośredni wpływ w dziedzinie wykrywania obrazów; jego laboratorium pracuje nad prototypowym urządzeniem. Jest przekonany, że grupa może poprawić działanie czujników światła, takich jak te stosowane w kamerach, goglach noktowizyjnych i niektórych czujnikach medycznych.

Wśród współpracowników Koppensa byli profesor fizyki MIT Leonid Lewitow oraz Justin Chien Wen Song, doktorant w laboratorium Levitova, który pomógł Koppensowi zinterpretować dane poprzez modelowanie teoretyczne.

Chociaż prace wskazują jedynie na możliwe zastosowania słoneczne, pokazują, że grafen można uznać za kandydata do zastosowania w tzw. ogniwach słonecznych trzeciej generacji. Termin odnosi się do technologii, które nie zostały jeszcze opracowane, które pokonałyby fizyczne ograniczenia konwencjonalnych ogniw słonecznych i osiągnęłyby znacznie wyższą wydajność. Dzisiejsze ogniwa krzemowe mają teoretyczną granicę wydajności około 30 procent. Ogniwa słoneczne wykonane z grafenu mogą mieć teoretyczną granicę ponad 60 procent.

Koppens twierdzi, że na drodze do tego stoi wiele wyzwań inżynieryjnych, z których nie najmniejszym jest wymyślenie, jak wydobyć energię z systemu.

Nowy artykuł ilustruje bardzo ważną koncepcję, ponieważ przyszłe urządzenia będą zależeć od zrozumienia procesów fizycznych, które zachodzą, gdy grafen pochłania światło, mówi Andrea Ferrari , profesor nanotechnologii na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii Ferrari, który nie był zaangażowany w te badania, mówi, że on i jego koledzy mają wciąż nieopublikowany artykuł opisujący podobny wynik. Wykazanie tej właściwości w grafenie otwiera obiecujące nowe pole badań, mówi.

Grafen był już ekscytujący jako materiał fotowoltaiczny ze względu na swoje wyjątkowe właściwości optyczne, wyjaśnia Ferrari. Materiał może pracować z każdą możliwą długością fali, o jakiej pomyślisz, mówi. Nie ma na świecie innego materiału z takim zachowaniem. Jest również elastyczny, wytrzymały, stosunkowo tani i łatwo integruje się z innymi materiałami. Nowe badania dodają trzecią warstwę zainteresowania grafenem dla optyki, mówi.

ukryć