Hocheffiziente Graphen-Solarzellen

Graphen
Graphen ist eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem wabenförmigen Gitter mit einer Dicke von nur einem Atom angeordnet sind und eine Reihe einzigartiger elektronischer und mechanischer Eigenschaften aufweisen. Dies liegt daran, dass Elektronen mit extrem hoher Geschwindigkeit durch Graphen sausen und sich wie „Dirac“-Partikel mit geringem Widerstand verhalten. Graphen ist aufgrund seiner Dirac-Elektronen auch lichtdurchlässig und kann Licht jeder Farbe absorbieren.
Solarzellen
Forscher haben bisher Solarzellen aus Graphen hergestellt, aber der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist mit etwa 1,9 % recht gering. Forschern der University of Florida in Gainesville ist es jedoch gelungen, die effizientesten Solarzellen auf Graphenbasis aller Zeiten herzustellen, indem sie der Graphenschicht in den Geräten einen organischen Dotierstoff hinzufügen. Der Energieumwandlungswirkungsgrad der neuen Solarzellen erreicht fast 9 %, verglichen mit nur knapp 2 % bei Zellen, die undotiertes Graphen verwenden.
Struktur
Diese Zellen bestehen aus einer Graphenfolie, die mit der organischen Verbindung (Trifluormethansulfonyl)-Amid oder TFSA dotiert ist und auf einem Siliziumwafer platziert wird, um einen Graphen/Silizium-Schottky-Übergang herzustellen. Die Übertragung von Graphen auf Silizium verursacht minimale Störungen an der Graphenoberfläche und daher bleibt die Grenzfläche unberührt. Eine saubere Schnittstelle ist wichtig, da jede Störung in diesem Bereich als Falle für getrennte Ladungen fungiert und deren Lebensdauer verkürzt, was bedeutet, dass sie nicht so effizient gesammelt werden können.
Arbeiten
Solche photovoltaischen Geräte erzeugen bei Sonneneinstrahlung Elektron-Loch-Paare. Die Elektronen und Löcher werden dann durch die Schotky-Grenzfläche getrennt und durch Elektroden gesammelt, die mit dem entgegengesetzt geladenen Graphen und Silizium kontaktiert werden. Der von den fließenden Elektronen und Löchern erzeugte Strom ermöglicht es dem Gerät, Strom zu erzeugen.
Die Dotierung von Graphen mit TFSA verändert das Fermi-Niveau des Graphens, was dazu führt, dass die Ladungen am Graphen/Silizium-Übergang neu eingestellt werden. Dies erhöht die Stärke des elektrischen Felds über die Grenzfläche und ermöglicht ein effizienteres Sammeln von Elektronen und Löchern, was letztendlich zu einer Erhöhung der erzeugten Energiemenge führt.