Ny egenskab afsløret i grafen kan føre til bedre ydende solpaneler

Et internationalt forskerhold, ledet af en fysiker ved University of California, Riverside, har opdaget en ny mekanisme til ultraeffektiv ladning og energiflow i grafen, åbne muligheder for at udvikle nye typer lyshøstingsudstyr.

Forskerne fremstillede uberørt grafen - grafen uden urenheder - til forskellige geometriske former, forbinder smalle bånd og kryds til vidt åbne rektangulære områder. De fandt ud af, at når lys oplyste indsnævrede områder, f.eks. det område, hvor et smalt bånd forbandt to brede områder, de opdagede en stor lysinduceret strøm, eller fotostrøm.

Konstateringen af, at uberørt grafen meget effektivt kan omdanne lys til elektricitet, kan føre til udviklingen af ​​effektive og ultrahurtige fotodetektorer - og potentielt mere effektive solpaneler.

grafen, et 1-atom tykt ark af carbonatomer arrangeret i et sekskantet gitter, har mange ønskelige materialeegenskaber, høj strømbærende kapacitet og varmeledningsevne. I princippet, grafen kan absorbere lys ved enhver frekvens, gør det til et ideelt materiale til infrarød og andre former for fotodetektion, med brede anvendelser inden for bio-sensing, billeddannelse, og nattesyn.

I de fleste høstenheder til solenergi, en fotostrøm opstår kun i nærvær af et kryds mellem to forskellige materialer, såsom "p-n" kryds, grænsen mellem to typer halvledermaterialer. Den elektriske strøm genereres i forbindelsesområdet og bevæger sig gennem de forskellige områder af de to materialer.

"Men i grafen, alt ændrer sig, " sagde Nathaniel Gabor, en lektor i fysik ved UCR, som var med til at lede forskningsprojektet. "Vi fandt ud af, at fotostrømme kan opstå i uberørt grafen under en særlig tilstand, hvor hele arket af grafen er fuldstændig fri for overskydende elektronisk ladning. Generering af fotostrømmen kræver ingen specielle overgange og kan i stedet styres, overraskende, ved blot at skære og forme grafenarket til usædvanlige konfigurationer, fra stigerlignende lineære arrays af kontakter, til snævert indsnævrede rektangler, til tilspidsede og terrasserede kanter."

Uberørt grafen er fuldstændig ladningsneutral, hvilket betyder, at der ikke er nogen overskydende elektronisk ladning i materialet. Når den er tilsluttet en enhed, imidlertid, en elektronisk ladning kan indføres ved at påføre en spænding til et nærliggende metal. Denne spænding kan inducere positiv ladning, negativ ladning, eller perfekt balance negative og positive ladninger, så grafenarket er perfekt ladningsneutralt.

"Den lysindsamlingsanordning, vi fremstillede, er kun så tyk som et enkelt atom, " sagde Gabor. "Vi kunne bruge det til at konstruere enheder, der er semi-transparente. Disse kan være indlejret i usædvanlige miljøer, såsom vinduer, eller de kunne kombineres med andre mere konventionelle lysindsamlingsanordninger for at høste overskydende energi, der normalt ikke absorberes. Afhængigt af hvordan kanterne skæres i form, enheden kan give ekstraordinært forskellige signaler."

Forskerholdet rapporterer denne første observation af en helt ny fysisk mekanisme - en fotostrøm genereret i ladningsneutral grafen uden behov for p-n-kryds - i Natur nanoteknologi i dag.

Tidligere arbejde fra Gabor-laboratoriet viste en fotostrøm i grafen-resultater fra meget ophidsede "varme" ladningsbærere. Når lys rammer grafen, højenergielektroner slapper af for at danne en population af mange relativt køligere elektroner, Gabor forklarede, som efterfølgende indsamles som aktuelle. Selvom grafen ikke er en halvleder, denne lysinducerede varme elektronpopulation kan bruges til at generere meget store strømme.

"Al denne adfærd skyldes grafens unikke elektroniske struktur, sagde han. I dette vidundermateriale, ' lysenergi omdannes effektivt til elektronisk energi, som efterfølgende kan transporteres i materialet over bemærkelsesværdigt lange afstande."

Han forklarede, at for cirka et årti siden, uberørt grafen blev forudsagt at udvise meget usædvanlig elektronisk adfærd:elektroner skulle opføre sig som en væske, tillader energi at blive overført gennem det elektroniske medium frem for ved at flytte ladninger rundt fysisk.

"Men på trods af denne forudsigelse, ingen fotostrømmålinger var blevet foretaget på uberørte grafenapparater - indtil nu, " han sagde.

Det nye arbejde med uberørt grafen viser, at elektronisk energi rejser store afstande i fravær af overskydende elektronisk ladning.

Forskerholdet har fundet bevis for, at den nye mekanisme resulterer i en stærkt forbedret fotorespons i det infrarøde regime med en ultrahurtig operationshastighed.

"Vi planlægger at undersøge denne effekt yderligere i en bred vifte af infrarøde og andre frekvenser, og mål dens responshastighed, "sagde første forfatter Qiong Ma, en postdoc i fysik ved Massachusetts Institute of Technology, eller MIT.