Så er det bevist: Grafen kan omdanne sollys til strøm
Grafen er eminent til at omdanne solens stråler til energi. Danske eksperimenter viser nu for første gang, hvordan materialet virker, og hvorfor det har potentiale til at gøre solceller langt mere effektive, end de har været hidtil.

Grafen har potentiale til at forbedre solcellers effektivitet, viser nye eksperimenter. (Foto: Colourbox)

Grafen er en mester i at omdanne solens stråler til energi, har danske forskere netop bevist.

Potentielt kan materialet revolutionere solcelleindustrien, fordi det effektivt kan få elektricitet ud af sollyset og samtidig rummer nogle enestående fysiske egenskaber, som er andre materialer overlegne, viser forskernes eksperiment.

»Vi så tydelige tegn på, at grafen har en række egenskaber, som gør, at det meget effektivt kan omdanne sollys til energi, og vores eksperiment viste, at grafen kan være et lovende alternativ til de materialer, man nu bruger i solceller. Det har man haft teorier om tidligere, men det er første gang, vi ser i et eksperiment, hvordan grafen virker,« siger ph.d. studerende Søren Ulstrup fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Resultaterne af hans og kollegernes grafen-eksperiment er netop offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

»Grafen har potentiale til at udnytte energien effektivt fra sollyset og sammenlignet med silicium, som er det materiale, man i dag bruger i solceller, er grafen meget mere strømledende og kan opfange hele solens lysspektrum, hvilket kan give et boost til solcellernes effektivitet,« siger Søren Ulstrup. 

(Læs også: Syv egenskaber gør grafen til mirakelmateriale og Top 5: Sådan kan grafen gøre underværker)

Grafen kan vise sig at være bedre end silicium

Fakta

Carrier multiplication er en mekanisme, der kan aktiveres i særlige materialer, når de får tilført energi fra eksempelvis en laser eller fra sollyset.

Når der sker carrier multiplication, bliver en foton, eksempelvis fra sollyset, omsat til mere end en enkelt fri elektron.

Carrier multiplication kan ikke ses med det blotte øje, da det sker på atomart niveau, når et materiales elektroner flytter sig som følge af energitilførsel.

Når en elektron flytter sig i et materiale, opstår der er tomrum, som fysikere kalder 'elektron-hul par'. Ved carrier multiplication bliver der dannet flere af disse elektron-hul par, og det er dem, som man efterfølgende kan bruge til at skabe elektrisk strøm.

Når solen skinner på en solcelle, indfanger cellen solens lys i energipakker kaldet fotoner. Kommercielle solceller består af grundstoffet silicium, som omdanner fotonerne til elektricitet. Silicium er en halvleder, som også bliver brugt blandt andet i computerchips (deraf navnet på den verdensberømte hightech dal Silicon Valley i Californien).

Computerindustrien har dog i lang tid spekuleret på, om grafen kan være siliciums afløser - et nyt vidunderstof, som er bedre end silicium til at lede elektrisk strøm og varme.

Og forskere fra en række lande deriblandt Norge har fremsat teorier om, at grafen tilmed har potentiale til at gøre solceller endnu mere effektive til at høste solens stråler og omsætte dem til energi, end de celler der i dag er på markedet.

(Læs også artiklen: grafen forstaerker lysets kraft)

Grafen får mere elektricitet ud af solen

Nu beviser de unikke danske eksperimenter, at grafen virkelig har det potentiale, som forskerne har spået. 

Eksperimenterne viser, at grafen ligesom silicium er i stand til at få flere elektrisk ladede elektroner ud af en enkelt foton fra sollyset i modsætning til andre materialer, som kun får én elektron ud af en foton. Grafen kan altså omsætte energi og få elektricitet ud af sollyset ligesom silicium. Dertil har stoffet en række andre enestående egenskaber, som vi vender tilbage til.

Fakta

Grafen er et enkelt atomlag, der består af carbonatomer.
Hvis man stabler uendelig mange lag grafen oven på hinanden, får man grafit.

Grafen er ekstremt stærkt i forhold til dets mikroskopiske størrelse og vægt. Samtidig er det en af de bedst kendte varmeledere, og det kan lede elektrisk strøm enten som ledere eller som halvledere.

Grafen har den højeste elektronmobilitet i noget kendt materiale.

»Helt fundamentalt, har vi vist, at grafen rummer de nødvendige processer for, at når en foton fra en solstråle rammer grafen, får man ikke bare én elektron ud, men to eller tre. Grafen er altså fantastisk til omdanne sollyset til energi, og der er god basis for, at materialet kan bruges til at lave mere effektive solceller,« siger Søren Ulstrup.

Højenergilaser afslører grafens egenskaber

Søren Ulstrup og kolleger fra Aarhus Universitet har været i England for at låne et laboratorium med en særlig højenergilaser, der kan aktivere elektroner inde i det materiale, forskerne vil undersøge.

»Det er et nationalt britisk forskningscenter, som har udviklet en laserteknologi, der kan bestråle et materiale med så høj energi, at man kan ramme dets elektroner. Det er det første setup, hvor man kan kigge direkte på elektroner i grafen og se, hvordan de reagerer for eksempel på lys. Laseren er udviklet til den type eksperimenter, som vi nu har gennemført med grafen,« forklarer Søren Ulstrup.

Grafen har mange fordele

Ved at udsætte grafen for laserens høje energi, fandt de danske forskere ud af, at:

  • I grafen er der basis for en mekanisme, som kaldes carrier multiplication. Carrier multiplication får grafen til at omsætte en foton fra sollyset til hele to eller tre frie elektroner. Carrier multiplication sker, idet elektronerne tilføres energi fra lyset og derfor begynder at flytte sig i materialet. (Se faktaboks om carrier multiplication)
  • Grafens elektroner bliver ved med at have energi i et stykke tid efter, at de bliver bestrålet med højenergilaseren (eller solens stråler). I andre materialer henfalder elektronerne hurtigere og mister deres energi straks, efter de er blevet bestrålet. I grafen har man længere tid til at høste energien og kan derfor få maksimal energiomsætning ud af elektronerne, før de henfalder.
  • Grafen er et gennemsigtigt materiale, der kun absorberer 2,3 procent af det lys, det bliver bestrålet med. På trods af dette har de danske forskere observeret, at materialets elektroner reagerer kraftigt, når de bliver belyst af laseren, så ved at stable flere lag grafen oven på hinanden, kan absorptionen øges, hvilket kan øge mængden af energi, der kommer ud af lysomdannelsen.
  • Grafen er i stand til at opfange hele lysspektret fra solens stråler, hvorimod silicium for eksempel ikke kan opfange det infrarøde lys.

»Vores eksperiment viser helt fundamentalt, at grafen kan være ekstremt effektiv til at omdanne solstråler til elektricitet. Det næste skridt er så at fremstille solceller med grafen, og det er en stor teknologisk udfordring, for man ved ikke, hvordan man kan få grafen ind i en solcelle: Man skal finde en måde at lægge grafen ovenpå en halvleder, som man så for eksempel skal slutte til et batteri,« siger Søren Ulstrup.

Et skridt i den rigtige retning

Resultaterne af hans og kollegernes eksperimenter er dog et vigtigt skridt i den rigtige retning, siger Søren Ulstrup:

»Teorier har peget på, at grafen har den rette fysik til at få energi ud af sollyset – nu har vi vist eksperimentelt, at det er sandt, og vi kender de mekanismer, der ligger bag. Så kan vi begynde at tune materialet, at forandre det og at forbedre effekten. Det ville man ikke kunne gøre, hvis man ikke kendte dets egenskaber,« siger Søren Ulstrup.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.