Grafen forvandler effektivt lys til elektricitet

Fremtidens solceller vil sandsynligvis være langt mere effektive end i dag – og så vil de være lavet af vidunderstoffet grafen.

Det er der grund til at tro, efter at forskere nu har vist, hvordan man ved hjælp af grafen kan forvandle en enkelt lyskvant, den mindste form lys optræder i, til flere strømførende elektroner. Og skulle man være i tvivl, så er det et vigtigt skridt på vejen til at kunne bruge grafen i en solcelle.

Opdagelsen er gjort af et hold internationale forskere, der inkluderer danske Søren Ulstrup, postdoc ved Aarhus Universitet, Institut for Fysik og Astronomi.

»Grafen er et ultratyndt materiale – kun et atomlag tykt – hvor en elektronisk strøm kan ledes mange gange mere effektivt end i almindelig kobbertråd.«

»Nøglen til effektivt at forvandle lys til elektroner er at kombinere flere lag af grafen og udnytte den høje ledningsevne i hvert lag, samtidig med at man ‘elektrondoper’ grafenen,« fortæller Søren Ulstrup.

Derfor forvandler grafen lys til strøm

Man har i nogle år vidst, at grafen potentielt kan bruges i solceller. Men det nye forskningsresultat viser, hvordan man mest effektivt kan forvandle lys – fotoner/lyskvanter – til en elektrisk strøm.

Ifølge forskerne skal tre ting skal være på plads:

1. Man skal lægge grafen i mange lag, hvilket er muligt, fordi det er så ekstremt tyndt.

»Opdagelsen viser, at ultratynde materialer, såsom grafen, kan vekselvirke med lys, og at dette påvirker elektronerne i materialet på fordelagtig vis.«

»Umiddelbart absorberer materialet ikke meget lys – absorptionen er 2,3 procent. Men ved at stable mange lag grafen på hinanden, kan man måske opnå endnu bedre udnyttelse af energien i lyset,« fortæller Søren Ulstrup.

2. Man skal udnytte, at grafen kan lede elektroner utroligt effektivt.

»Det er en egenskab ved grafen, at det har en utrolig høj elektronmobilitet, og at det derved er en særdeles god leder« fortæller Søren Ulstrup.

3. Man skal ‘elektrondope’ grafenen. Elektrondoping vil sige, at man ændrer på antallet af elektroner i grafenen.

»Med doping menes der, at vi kemisk har enten tilført eller fjernet elektroner fra grafen. Hvis der er et underskud af elektroner i grafen, snakker man om hul-doping, idet de ‘efterladte huller’ dermed kan lede en strøm.«

»Modsat, hvis man har overskud af elektroner, er materialet elektron-dopet. Vores forsøg viser, at den effektive omdannelse af fotoner til flere elektroner først for alvor finder sted, hvis man elektron-doper materialet,« fortæller Søren Ulstrup.

Sådan sker forvandlingen

Forsøget viste, at jo mere elektron-dopet grafen er, desto flere elektroner vil man kunne løfte til en højere energitilstand, når en lyskvant bliver absorberet – og jo større en strøm kan der produceres. Det foregår ved at:

1. En lyskvant rammer grafenen.
   
2. Det stimulerer en af grafenens elektroner, der løftes til en højere energitilstand.
   
3. Når elektronen i løbet af ganske kort tid helt automatisk falder tilbage til sin normale energitilstand, stimulerer det i gennemsnit tre andre elektroner. Det sker ved, at den ene elektron, med meget høj spænding, fordeler sin energi ud til tre andre elektroner.
   
4. På den måde skaber en enkelt lyskvant en lille elektrisk strøm.

»Når én elektron modtager en lyskvant, så vil denne elektron besidde så meget energi fra vekselvirkningen med lyskvanten, at det kan bringe op til tre andre elektroner i grafenen ud af deres grundtilstand.«

»Da disse elektroner derved er i en ustabil tilstand, er det muligt at ‘høste’ deres energi, og da man får hele tre elektroner for prisen af en foton, er det en særdeles effektiv proces.«

En af den videnskabelige artikels medforfattere, Marco Grioni, er ikke i tvivl om, hvad dét betyder:

»Det indikerer, at en solcelle-enhed, der består af dopet grafen, kan vise sig at være utroligt effektiv, når det handler om at konvertere lys til elektricitet,« siger Marco Grioni i en pressemeddelelse fra École polytechnique fédérale de Lausanne.

Forskerne optog en ‘film’ af forløbet

Forskerne blev nødt til at tage til et helt særligt laboratorium for at kunne gennemføre forsøget. Det krævede nemlig en banebrydende laserteknologi, som kun findes hos Rutherford Appleton Laboratory ved Oxford i England.

»Vi brugte to ultrahurtige laserpulser, der hver varede 30 femtosekunder – 1 femtosekund svarer til 0,000000000000001 sekund. Det var ekstremt vigtigt, at pulsen var så kort, fordi selve omdannelsen af en lyskvant til flere elektroner sker på denne ultrakorte tidsskala,« fortæller Søren Ulstrup.

• Den første laserpuls spillede samme rolle, som forskerne forestillede sig, sollyset ville gøre i en ‘rigtig’ solcelle. Den udsendte en lyskvant, der skulle stimulere elektronerne i grafenen.
  
• I grafenlaget absorberede en elektron energien fra pulsen, hvilket bragte den ud af sin grundtilstand. Da elektroner i sådan en situation automatisk vil søge tilbage mod grundtilstanden, begyndte den at frigive energi til andre elektroner i grafenen.
  
• Det førte til, at flere elektroner blev løftet fra grundtilstanden, selvom forskerne oprindeligt kun bragte én elektron ud af sin grundtilstand med laserpulsen.

»Vores laserpuls nummer to kom ind før, under og efter disse processer forløb. Den puls brugte vi til at rive elektronerne ud af materialet, så vi kunne måle dem med vores detektor.«

»Med andre ord kunne vi optage en ultrahurtig ‘film’ af, hvordan processerne forløb,« fortæller Søren Ulstrup.

Vigtigt at kontrollere elektron-doping

Selvom forskere i nogle år har vidst, at grafen har et stort potentiale, når det kommer til at forvandle lys til strøm, så har der været tvivl om, hvordan processen skal gribes an. Og netop det gør det nye studie os klogere på.

»Opdagelsen bekræfter nu teorier, der har forudsagt de her processer. Og vi viser for første gang, at doping-niveauet er vigtigt at tage i betragtning.«

»Det betyder, at hvis man vil designe solceller eller andre lys-baserede detektorer, så er det vigtigt, at man kan kontrollere dopingen ret præcist,« siger Søren Ulstrup.

Professor: Smukt udført grundvidenskab

Bo Wegge Laursen, der er professor ved Kemisk Institut og direktør for Nano-Science Center på Københavns Universitet, forsker selv i grafen. Han vurderer, at forsøget bidrager med ny, brugbar viden.

Også selvom der ikke er tale om, at hans kollegaer fra Aarhus har lavet flyvefærdige solceller.

»Jeg synes, det er et stykke enormt spændende og smukt udført grundvidenskab. Studiet giver ny detaljeret indsigt i, hvordan lys og grafen vekselvirker med hinanden.«

»Og så viser forskerne, at grafen kan fintunes – hvilket gør det mere sandsynligt, at materialet engang i fremtiden vil finde vej ind i solceller,« siger Bo Wegge Laursen.

Den videnskabelige artikel ‘Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene’ er publiceret i tidsskriftet Nano Letters, og hovedforfatterne er Jens C. Johannsen, Søren Ulstrup og Philip Hofmann.