Il grafene potrebbe trasformare la luce in elettricità? Gli scienziati hanno dimostrato che il grafene può convertire un singolo fotone in più elettroni, mostrando molte promesse per i futuri dispositivi fotovoltaici.

Il grafene è un materiale che ha riscosso un'enorme popolarità negli ultimi anni, grazie alla sua straordinaria robustezza e leggerezza. Può essere generato staccandolo letteralmente dalla grafite, o coltivandolo sopra vari materiali, che rende la sua produzione conveniente. Gli studi hanno suggerito che il grafene può essere utilizzato anche come materiale fotovoltaico, trasformare la luce in elettricità. Utilizzando un metodo spettroscopico all'avanguardia, scienziati dell'EPFL e collaboratori hanno dimostrato che assorbendo un singolo fotone, il grafene può generare più elettroni che hanno energia sufficiente per guidare una corrente elettrica. L'opera è pubblicata in Nano lettere .

Il grafene è affascinante in termini di fisica fondamentale, perché è meglio condurre elettricità a temperatura ambiente rispetto ad es. rame, che lo rende ideale per circuiti ultraveloci. Inoltre, è stato dimostrato che il grafene conduce elettricità dopo aver assorbito la luce, il che significa che potrebbe essere utilizzato anche in dispositivi fotovoltaici. Ma fino ad ora, il potenziale del grafene per un'efficiente conversione da luce a elettricità non era ben compreso.

Questo è un compito impegnativo in quanto questa conversione avviene su una scala di femtosecondi (10-15 sec; un quadrilionesimo di secondo), troppo veloce perché le tecniche convenzionali rilevino il movimento degli elettroni. Per superare questo ostacolo, Jens Christian Johannsen del laboratorio di Marco Grioni all'EPFL, con i colleghi dell'Università di Aarhus e di ELETTRA in Italia, ha impiegato una tecnica sofisticata chiamata "spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e angolo ultraveloce" (trARPES). Gli esperimenti sono stati condotti presso il famoso Rutherford Appleton Laboratory di Oxford.

Con questo metodo, un piccolo campione di grafene viene posto in una camera ad altissimo vuoto. Il grafene viene quindi colpito da un impulso ultraveloce di luce laser a "pompa". Questo eccita gli elettroni nel grafene, "innalzandoli" a stati energetici più elevati in cui possono effettivamente guidare una corrente elettrica. Mentre gli elettroni sono in quegli stati, il campione di grafene viene colpito con un tempo ritardato, impulso di "sonda" che cattura letteralmente un'istantanea dell'energia che ogni elettrone ha in quel momento. La sequenza viene ripetuta rapidamente per diversi punti temporali, come un film in stop-motion, e cattura la dinamica degli elettroni in una sequenza live-action.

Un fotone, molti elettroni

Gli scienziati hanno usato campioni "drogati" di grafene, il che significa che hanno aggiunto o sottratto elettroni da esso con mezzi chimici. L'esperimento ha rivelato che, quando il grafene drogato assorbe un singolo fotone, questo può eccitare diversi elettroni e farlo proporzionalmente al grado di drogaggio. Il fotone eccita un elettrone, che poi "ricade" rapidamente al suo stato fondamentale di energia. Mentre lo fa, la "caduta" eccita in media altri due elettroni come effetto a catena. "Questo indica che un dispositivo fotovoltaico che utilizza grafene drogato potrebbe mostrare un'efficienza significativa nella conversione della luce in elettricità", dice Marco Grioni.

Gli scienziati hanno effettuato la prima osservazione diretta dell'effetto di moltiplicazione fotone-elettrone del grafene, il che rende il materiale un elemento costitutivo molto promettente per qualsiasi dispositivo che si basa sulla conversione della luce in elettricità. Per esempio, nuovi dispositivi fotovoltaici che utilizzano il grafene potrebbero raccogliere energia luminosa attraverso l'intero spettro solare con una minore perdita di energia rispetto ai sistemi attuali.

Basandosi sulla loro tecnologia all'avanguardia e sul successo sperimentale, gli scienziati stanno ora pianificando di esplorare effetti simili in altri materiali bidimensionali, come il bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), un materiale già alla ribalta per le sue notevoli proprietà elettroniche e catalitiche.