Kan grafen förvandla ljus till elektricitet? Forskare har visat att grafen kan omvandla en enda foton till flera elektroner, visar mycket lovande för framtida solcellsapparater.

Grafen är ett material som har vunnit enorm popularitet de senaste åren, på grund av sin extraordinära styrka och låga vikt. Det kan skapas genom att bokstavligen skala av det från grafit, eller genom att odla den ovanpå olika material, vilket gör produktionen kostnadseffektiv. Studier har antytt att grafen också kan användas som ett fotovoltaiskt material, förvandla ljus till elektricitet. Med hjälp av en banbrytande spektroskopisk metod, forskare vid EPFL och medarbetare har visat att genom att absorbera en enda foton, grafen kan generera flera elektroner som har tillräckligt med energi för att driva en elektrisk ström. Verket publiceras i Nanobokstäver .

Grafen är fascinerande när det gäller grundläggande fysik, eftersom den är bättre på att leda el i rumstemperatur än t.ex. koppar, vilket gör den idealisk för ultrasnabba kretsar. Dessutom, grafen har visat sig leda elektricitet efter att ha absorberat ljus, vilket innebär att den även skulle kunna användas i solcellsapparater. Men tills nu, grafens potential för effektiv ljus-till-el-omvandling var inte väl förstått.

Detta är en utmanande uppgift eftersom denna omvandling sker på en femto-sekundsskala (10-15 sek; en kvadrilliondels sekund), för snabbt för konventionella tekniker för att detektera elektronrörelser. För att övervinna detta hinder, Jens Christian Johannsen från Marco Grionis labb vid EPFL, med kollegor vid Aarhus Universitet och ELETTRA i Italien, använde en sofistikerad teknik som kallas "ultrasnabb tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi" (trARPES). Experimenten utfördes vid det världsberömda Rutherford Appleton Laboratory i Oxford.

Med denna metod, ett litet prov av grafen placeras i en ultrahög vakuumkammare. Grafenet träffas sedan med en ultrasnabb "pump"-puls av laserljus. Detta exciterar elektronerna i grafen, "höja" dem till högre energitillstånd där de faktiskt kan driva en elektrisk ström. Medan elektronerna är i dessa tillstånd, grafenprovet träffas med en tidsfördröjd, "sond"-puls som bokstavligen tar en ögonblicksbild av energin varje elektron har i det ögonblicket. Sekvensen upprepas snabbt för olika tidpunkter, som en stop-motion-film, och fångar elektronernas dynamik i en live-action sekvens.

En foton, många elektroner

Forskarna använde "dopade" prover av grafen, vilket innebär att de adderade eller subtraherade elektroner från den på kemisk väg. Experimentet visade att, när dopad grafen absorberar en enda foton, detta kan excitera flera elektroner och göra det proportionellt mot graden av dopning. Fotonen exciterar en elektron, som sedan snabbt "faller" tillbaka till sitt grundtillstånd av energi. När det gör det, "fallet" exciterar i genomsnitt ytterligare två elektroner som en knock-on-effekt. "Detta indikerar att en fotovoltaisk enhet som använder dopad grafen kan visa betydande effektivitet när det gäller att omvandla ljus till elektricitet", säger Marco Grioni.

Forskarna har gjort den första direkta observationen någonsin av grafens foton-elektron multiplikationseffekt, vilket gör materialet till en mycket lovande byggsten för alla enheter som förlitar sig på att omvandla ljus till elektricitet. Till exempel, nya fotovoltaiska enheter som använder grafen kan skörda ljusenergi över hela solspektrumet med lägre energiförlust än nuvarande system.

Bygger på deras banbrytande teknik och experimentella framgång, forskarna planerar nu att utforska liknande effekter i andra tvådimensionella material, såsom molybdendisulfid (MoS ₂ ), ett material som redan är i rampljuset för sina anmärkningsvärda elektroniska och katalytiska egenskaper.