Grafeen voor efficiënte zonnecel

Nieuws | de redactie
25 februari 2013 | Het door André Geim ontdekte grafeen beschikt over unieke eigenschappen en kwaliteiten. AMOLF-onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij voegt daar een nieuwe ontdekking aan toe: grafeen blijkt zeer efficient gebruikt te kunnen worden om licht om te zetten in elektriciteit.

Waar de meeste materialen die gebruikt worden in zonnecellen en lichtdetectoren slechts één lichtdeeltje omzetten in één elektron, kan in grafeen één lichtdeeltje omgezet worden in meerdere hete elektronen. Klaas-Jan Tielrooij ontdekte dat, doordat deze elektronen stroom kunnen genereren, dit mechanisme van ladingsvermenigvuldiging een essentieel ingrediënt is om met heel weinig energieverlies energie uit licht te halen.

Supersnel omzetten

Grafeen, een enkele atomaire laag koolstofatomen, is een belangrijke kandidaat voor nieuwe opto-elektronische toepassingen. Tielrooij en zijn collega’s tonen nu aan dat de combinatie van de breedbandige absorptie van grafeen en ladingsvermenigvuldiging ervoor zorgt dat grafeen zonlicht uit het hele zonnespectrum efficiënt kan omzetten in elektriciteit. Tot nu toe was onduidelijk hoe efficiënt en via welk mechanisme grafeen geabsorbeerde fotonen omzet in elektronen.

Het bestuderen van de omzetting van fotonen (lichtdeeltjes) in elektronen in grafeen is bijzonder uitdagend, omdat het proces van omzetting van fotonen in elektronen en de daarop volgende ladingsvermenigvuldiging plaatsvinden op een tijdschaal van femtoseconden (10-15 s, een biljardste van een seconde). De onderzoekers gebruikten daarom een pomp-probe techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van twee kort opeenvolgende pulsen met een extreem hoge tijdsresolutie.

Tielrooij, die zijn onderzoek deed aan het Institut de Ciències Fotóniques in Barcelona en bij FOM-instituut AMOLF bescheen met zijn collega’s een enkele laag grafeen met een precies bekend aantal geabsorbeerde fotonen en bekende fotonenergie (kleur). Heel kort daarna werd met een Terahertz puls gekeken naar de ontstane hoeveelheid hete elektronen (elektronen met een hogere energie dan in de evenwichtstoestand).

Hete elektronen

Uit dit experiment werd duidelijk dat bij een gelijk aantal geabsorbeerde fotonen hoge fotonenergie (bv. violet) tot meer hete elektronen leidde dan een lage fotonenergie (bv. infrarood). Dit is het resultaat van ladingsvermenigvuldiging. Het mechanisme van ladingsvermenigvuldiging houdt in dat een initieel geëxciteerd elektron zijn energie verliest door energie over te dragen aan elektronen die daardoor meer energie krijgen (boven het Fermi-niveau in de evenwichtstoestand), waardoor een grotere hoeveelheid hete elektronen ontstaat.

Klaas-Jan Tielrooij deed zijn onderzoek deels in Barcelona met een Rubiconfinanciering van NWO. Tielrooij die in 2011 nog de FOM Natuurkunde Proefschrift Prijs won, voerde zijn onderzoek uit samen met collega’s van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (VS), het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz (Duitsland) en Graphenea S.L. in San Sebastian (Spanje)


Schrijf je in voor onze nieuwsbrief
«

ScienceGuide is bij wet verplicht je toestemming te vragen voor het gebruik van cookies.

Lees hier over ons cookiebeleid en klik op OK om akkoord te gaan

OK