Завдяки унікальним властивостям графен може бути використаний в майбутньому як новий ефективний матеріал для сонячних батарей.
Що спільного між фізиками й юристами- і ті, й інші у своїй роботі покладаються на закони. От тільки якщо порушення законів держави може мати не дуже радісні наслідки, то для фізиків пошук об’єктів, які поводяться не найбільш «законним» чином, може обернутися, як мінімум, новим відкриттям. Або навіть Нобелівською премією.
Одним з головних порушників спокою наукового співтовариства за останній час став графен – шар атомів вуглецю товщиною всього в один атом. Підвищений інтерес до цього матеріалу, який можна отримати з графіту, криється в його унікальних властивостях. За вивчення графена два вчених Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов в 2010 році були удостоєні Нобелівської премії з фізики. Які ж норми фізичного світу порушив графен на цей раз.
Дослідники з Федеральної політехнічної школи Лозанни вперше змогли зафіксувати той факт, що графен перетворює один фотон в кілька електронів. Це відкриття може серйозно поліпшити продуктивність сонячних батарей. Чому так важлива кількість електронів, що припадає на один фотон? У звичайних кремнієвих сонячних батареях падаюче світло перетворюється на електрику. Відбувається це за рахунок того, що фотони світла, потрапляючи в кремнієву пластину, здатні вибивати з атомів кремнію вільні електрони, які потім перетворюються в електричний струм. Однак на цей процес накладено ряд обмежень.
По-перше, падаючі фотони повинні володіти достатньою енергією, щоб відірвати від атомів електрони. Якщо енергії буде дуже мало, то електрон так і залишиться зв’язаний з атомом. З іншого боку, погано, якщо фотони будуть володіти занадто великою енергією. Тоді весь надлишок, що залишився після відриву електрона від атома, буде перетворюватися в тепло – сонячна батарея просто нагріється. І ще одне правило – один фотон може вибити більше одного електрона. Все це робить ККД сонячних батарей досить низьким – не більш ніж 30%, тобто в кращому випадку батарея може перетворити в електрику тільки третину сонячної енергії. На екваторі, де сонце світить круглий рік, таке можна собі дозволити, але в середній смузі, де з дванадцяти місяців від сили лише декілька сонячних, ні про яку ефективність сонячної енергетики говорити не доводиться. Якщо матеріал сонячної батареї зможе перетворювати падаюче світло в більшу кількість електронів, а графену це, судячи з усього, під силу, тоді і екологічна сонячна енергія буде доступна не тільки в південних, але і в середніх широтах.
Читайте також: Варто зазначити, яким чином фізики з Лозанни змогли порахувати, скільки ж електронів вибиває фотон із графена. Такі процеси протікають за дуже короткий час, і зафіксувати їх – складне завдання. Дослідники розробили новий метод, який назвали «Фотоемісійні спектроскопія кутового і тимчасового дозволу».
Як проходив експеримент. Зразок графена помістили в камеру, з якої було відкачане все повітря до стану ультраглубокого вакууму. Потім графен освітлювали лазерним спалахом тривалістю всього кілька фемтосекунд. Він переводить електрони в збуджені стани, а потім графен підсвічують другим лазером, який фіксує енергії збуджених електронів. Варіюючи затримку другого лазерного спалаху, можна отримувати знімки електронної динаміки після поглинання світла практично в реальному часі. Вони і показали, що один фотон вибиває відразу кілька електронів.
Для того, щоб посилити виявлений ефект, дослідники ввели в двовимірну структуру графена домішкові атоми – такий процес називається допуванням. Як виявилося, допування істотно змінює властивості графена, і можна підібрати такий склад і кількість домішок, щоб число згенерованих електронів було максимальним. Якщо відкритий ефект вийде довести до практичного застосування, то стане можливим виробництво вкрай ефективних сонячних батарей на основі графену.