Hvordan grafen og venner kunne udnytte Solens energi

(Phys.org) — Ved at kombinere vidundermateriale grafen med andre forbløffende et-atom tykke materialer kunne skabe den næste generation af solceller og optoelektroniske enheder, har videnskabsmænd afsløret.

Forskere fra University of Manchester og National University of Singapore har vist, hvordan bygning af flerlags heterostrukturer i en tredimensionel stak kan producere et spændende fysisk fænomen, der udforsker nye elektroniske enheder.

Gennembruddet, udgivet i Videnskab , kan føre til elektrisk energi, der driver hele bygninger genereret af sollys absorberet af dets udsatte vægge; energien kan bruges efter behag til at ændre gennemsigtigheden og reflektiviteten af ​​armaturer og vinduer afhængigt af miljøforhold, såsom temperatur og lysstyrke.

Isolationen af ​​grafen, af University of Manchesters nobelpristagere professor Andre Geim og professor Kostya Novoselov i 2004, førte til opdagelsen af ​​hele den nye familie af et-atom-tykke materialer.

Grafen er verdens tyndeste, stærkeste og mest ledende materiale, og har potentialet til at revolutionere et stort antal forskellige applikationer; fra smartphones og ultrahurtigt bredbånd til medicinlevering og computerchips.

Isoleringen af ​​grafen førte også til opdagelsen af ​​en helt ny familie af et-atom-tykke materialer.

I fællesskab sådanne 2D-krystaller demonstrerer en lang række superlative egenskaber:fra ledende til isolerende, fra uigennemsigtig til gennemsigtig. Hvert nyt lag i disse stakke tilføjer spændende nye funktioner, så heterostrukturerne er ideelle til at skabe nye, multifunktionelle enheder.

Ét plus én er større end to – kombinationerne af 2D-krystaller giver forskere mulighed for at opnå funktionalitet, der ikke er tilgængelig fra nogen af ​​de individuelle materialer.

Manchester- og Singapore-forskerne udvidede funktionaliteten af ​​disse heterostrukturer til optoelektronik og fotonik. Ved at kombinere grafen med monolag af overgangsmetal dichalcogenider (TMDC), forskerne var i stand til at skabe ekstremt følsomme og effektive fotovoltaiske enheder. Sådanne enheder kan potentielt bruges som ultrafølsomme fotodetektorer eller meget effektive solceller.

I disse enheder, lag af TMDC blev klemt mellem to lag grafen, kombinerer de spændende egenskaber ved begge 2D-krystaller. TMDC-lag fungerer som meget effektive lysabsorbere og grafen som et transparent ledende lag. Dette giver mulighed for yderligere integration af sådanne fotovoltaiske enheder i mere komplekse, mere multifunktionelle heterostrukturer.

Professor Novoselov sagde:"Vi er begejstrede for den nye fysik og nye muligheder, som bringes til os af heterostrukturer baseret på 2D atomare krystaller. Biblioteket af tilgængelige 2D krystaller er allerede ret rigt, dækker et stort parameterrum.

"Sådanne fotoaktive heterostrukturer tilføjer endnu nye muligheder, og bane vejen for nye typer eksperimenter. Efterhånden som vi skaber flere og mere komplekse heterostrukturer, så enhedernes funktionaliteter bliver rigere, ind i verden af ​​multifunktionelle enheder."

University of Manchester-forsker og hovedforfatter Dr. Liam Britnell tilføjede:"Det var imponerende, hvor hurtigt vi gik fra ideen om sådanne lysfølsomme heterostrukturer til den fungerende enhed. Det fungerede praktisk talt fra begyndelsen, og selv de mest uoptimerede strukturer viste meget respektable egenskaber."

Professor Antonio Castro Neto, Direktør for Graphene Research Center ved National University of Singapore tilføjede:"Vi var i stand til at identificere den ideelle kombination af materialer:meget lysfølsomt TMDC og optisk transparent og ledende grafen, som tilsammen skaber et meget effektivt solcelleanlæg.

"Vi er sikre på, at efterhånden som vi forsker mere i området for 2D-atomkrystaller, vil vi være i stand til at identificere flere af sådanne komplementære materialer og skabe mere komplekse heterostrukturer med flere funktionaliteter. Dette er virkelig et åbent felt, og vi vil udforske det."

Dr. Cinzia Casiraghi, fra University of Manchester, tilføjet:"Fotofølsomme heterostrukturer ville åbne en vej for andre heterostrukturer med nye funktionaliteter. i fremtiden planlægger vi en billigere og mere effektiv heterostruktur til solcelleanlæg."