Как да превръщаме светлината в енергия двойно по-ефективно: графенът и умножаването на електрони

В средата на януари 2015 г. списание Nano Letters публикува измерване, което бързо стигна до новинарските сайтове под заглавия като „графенът може да удвои тока от слънцето“. Екип от 16 физици, сред които Марко Грони от Федералната политехника в Лозана (EPFL), показа как графенът превръща енергията на един поет фотон в няколко възбудени електрона. Самото откритие е по-скромно от заглавията, но е важно за въпроса как светлината да се превръща в електричество по-ефективно.

Какво показа изследването

Статията „Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene“ („Регулируемо умножаване и охлаждане на носителите на заряд в графена“) излиза в том 15 на Nano Letters с дата 14 януари 2015 г. Първият автор е Йенс Кристиан Йохансен, а сред последните са Марко Грони и Филип Хофман.

Графенът е слой от въглеродни атоми с дебелина един атом, подредени като пчелна пита. Когато го удари фотон, енергията отива в един електрон. Въпросът е какво става след това: дали тази енергия се губи като топлина, или „горещият“ електрон я предава на други електрони и ги възбужда. Второто се нарича умножаване на носителите на заряд и е точно това, което би било полезно за соларните клетки.

Според резюмето на статията авторите сравняват два образеца графен с различно легиране, тоест с различен брой свободни електрони, добавени по химичен път. В по-силно легирания образец (n-тип) те наблюдават коефициент на умножаване над 3 и по-бързо охлаждане на носителите обратно до равновесие, отколкото в по-слабо легирания (p-тип). Изводът им е, че с точна настройка на легирането реакцията на графена на светлина може да се управлява.

Как се снима процес от фемтосекунди

Целият процес трае около една фемтосекунда (една милионна от милиардната част на секундата), твърде бързо за обичайните методи. Затова, както описва IEEE Spectrum, екипът използва ултрабърза фотоемисионна спектроскопия с времево и ъглово разделяне (trARPES). Измерванията са направени в лабораторията „Ръдърфорд Апълтън“ във Великобритания.

Графенът се поставя във вакуумна камера. Първи лазерен импулс възбужда електроните, а втори, малко по-късен, „отчита“ енергията им. С много повторения при различно закъснение се получава нещо като кадри от филм: как енергията на един фотон се разпределя между електроните във времето.

Откъде дойде „двойно по-ефективно“

Числата за ефективността не идват от самата статия. IFLScience цитира Грони, според когото опитите показват, че фотоволтаично устройство с легиран графен би могло да преобразува светлината в електричество със значителна ефективност. Същото издание припомня, че графенът поглъща малко светлина и за соларна клетка трябва да се комбинира с други свръхтънки материали, например волфрамов диселенид или молибденов дисулфид.

IEEE Spectrum пише, че има надежда ефективността на преобразуването да се вдигне до 60% от приеманата досега граница от около 32%. Изданието обаче представя това като надежда, а не като резултат. То напомня още, че наноматериалите обещават „един фотон, няколко електрона“ още от 2004 г. и че скептици, като Еран Рабани от Университета в Тел Авив през 2011 г., се съмняват, че това ще повиши реално ефективността на клетките. По-ранна работа на Института за фотонни науки (ICFO) в Барселона е стигнала до подобен извод само косвено.

EPFL включи изследването сред научните си постижения за 2015 г. с кратката бележка, че графенът може да превърне един фотон в няколко електрона, което е обещаващо за бъдещи фотоволтаични устройства.

Отворени въпроси

Измерването доказва механизъм в лабораторен образец, а не работеща соларна клетка. Остават въпросите как графенът да поглъща достатъчно светлина в комбинация с други материали и дали възбудените електрони могат да се съберат като ток, преди енергията им да се загуби. Затова „двойно по-ефективно“ е посока за изследване, а не обещание за панелите на покрива.