Grafeen zet licht efficiënt om in elektriciteit

Licht omzetten in elektriciteit, zoals in zonnecellen en lichtdetectoren gebeurt, kan waarschijnlijk efficiënter met grafeen. De meeste materialen zetten één lichtdeeltje om in één elektron, maar in grafeen kan één lichtdeeltje worden omgezet in meerdere hete elektronen.

Magnificent CME Erupts on the Sun - August 31Fotocredits: NASA Goddard Photo and Video (cc)

Omdat deze hete elektronen stroom kunnen genereren is dit mechanisme van ladingsvermenigvuldiging een essentieel ingrediënt om met heel weinig energieverlies energie uit licht te halen. NWO-onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij publiceert hierover in Nature Physics.

Grafeen, een enkele atomaire laag koolstofatomen, is een belangrijke kandidaat voor nieuwe opto-elektronische toepassingen. De onderzoekers 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.

Dubbele puls
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 en zijn collega’s beschenen 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). Daarbij 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 voerde zijn onderzoek uit aan het Institut de Ciències Fotóniques in Barcelona en bij FOM-instituut AMOLF. Verder bestond de samenwerking uit onderzoekers 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). Zijn onderzoek in het buitenland werd mogelijk gemaakt met een Rubiconfinanciering van NWO. Tielrooij won in 2011 de FOM Natuurkunde Proefschrift Prijs.