Suggerimenti di ricerca sul potenziale fotovoltaico del grafene

I ricercatori hanno dimostrato che il grafene è altamente efficiente nel generare elettroni assorbendo la luce, il che suggerisce che il materiale potrebbe essere utilizzato per realizzare sensori di luce e forse anche celle solari più efficienti.

I materiali convenzionali che trasformano la luce in elettricità, come il silicio e l'arseniuro di gallio, generano un singolo elettrone per ogni fotone assorbito. Poiché un fotone contiene più energia di quanta ne possa trasportare un elettrone, gran parte dell'energia contenuta nella luce in entrata viene persa sotto forma di calore. Ora, una nuova ricerca rivela che quando il grafene assorbe un fotone genera più elettroni in grado di guidare una corrente. Ciò significa che se i dispositivi al grafene per convertire la luce in elettricità venissero realizzati, potrebbero essere più efficienti dei dispositivi comunemente usati oggi.

Il precedente lavoro teorico aveva ispirato la speranza che il grafene avesse questa proprietà, afferma Frank Koppens , un capogruppo al Istituto di Scienze Fotoniche in Spagna, che ha guidato la ricerca. Dice che il nuovo risultato, descritto questa settimana in Fisica della natura , rappresenta la prima prova sperimentale.

Per eseguire l'esperimento, i ricercatori hanno utilizzato due impulsi di luce ultraveloci. Il primo ha inviato una quantità prescritta di energia in un singolo strato di grafene. Il secondo serviva da sonda che contava gli elettroni generati dal primo.

Potenziale fotovoltaico: Il grafene, la cui struttura atomica è vista in questa illustrazione concettuale, ha dimostrato di avere proprietà ottiche promettenti.

Koppens afferma che il fenomeno descritto nel nuovo documento avrà probabilmente l'impatto più immediato nel campo del rilevamento dell'immagine; il suo laboratorio sta lavorando su un prototipo di dispositivo. È ragionevolmente sicuro che il gruppo possa migliorare le prestazioni dei sensori di luce come quelli utilizzati nelle fotocamere, negli occhiali per la visione notturna e in alcuni sensori medici.

Tra i collaboratori di Koppens c'era il professore di fisica del MIT Leonid Levitov e Justin Chien Wen Song, uno studente laureato nel laboratorio di Levitov, che ha aiutato Koppens a interpretare i dati attraverso la modellazione teorica.

Sebbene il lavoro suggerisca solo possibili applicazioni solari, mostra che il grafene potrebbe essere considerato un candidato per l'uso nelle cosiddette celle solari di terza generazione. Il termine si riferisce a tecnologie ancora da sviluppare che supererebbero i limiti fisici delle celle solari convenzionali e raggiungerebbero efficienze molto più elevate. Le odierne celle al silicio hanno un limite di efficienza teorica di circa il 30 percento. Le celle solari fatte di grafene potrebbero avere un limite teorico di oltre il 60 percento.

Koppens afferma che molte sfide ingegneristiche si frappongono a questo, non ultima delle quali è capire come estrarre energia dal sistema.

Il nuovo documento illustra un concetto molto importante, poiché i dispositivi futuri dipenderanno dalla comprensione dei processi fisici che si verificano quando il grafene assorbe la luce, afferma Andrea Ferrari , un professore di nanotecnologia presso l'Università di Cambridge nel Regno Unito Ferrari, che non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che lui e i suoi colleghi hanno un articolo ancora inedito che descrive un risultato simile. Dimostrare questa proprietà nel grafene apre un nuovo promettente campo di ricerca, dice.

Il grafene era già interessante come materiale fotovoltaico grazie alle sue proprietà ottiche uniche, spiega Ferrari. Il materiale può funzionare con ogni possibile lunghezza d'onda a cui puoi pensare, dice. Non c'è altro materiale al mondo con questo comportamento. È anche flessibile, robusto, relativamente economico e facilmente integrabile con altri materiali. La nuova ricerca aggiunge un terzo livello di interesse al grafene per l'ottica, dice.

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