Forskere forsøgte at kombinere forskellige materialer med det formål at skabe en helt ny form for effektive solceller. I stedet skabte forskerne helt nye materialeegenskaber og en særlig partikel, der måske kan bruges til at simulere kvantesystemer.
Det er nogle gange sådan i forskningen, at ikke alt ender helt, som forskerne oprindeligt havde tænkt sig, da de satte et projekt i søen.
Sådan gik det også for forskere fra Aarhus Universitet, der i et forsøg på at udvikle bedre solceller uforvarende opdagede en helt ny form for partikel, der kan være interessant i forbindelse med udvikling af kvantecomputere.
Ifølge en af forskerne bag opdagelsen er det nogle gange bare om at følge de guldkorn, som forskning utilsigtet kan kaste af sig.
»Vi arbejder med nogle skøre materialer, der, hvis de opførte sig optimalt, ville kunne lede til udvikling af bedre solceller. Så satte vi dem sammen og fik noget, som vi slet ikke havde forventet, og som måske kan bruges til noget, der er endnu vildere,« forklarer lektor Søren Ulstrup fra Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.
Forskningen er offentliggjort i Nature Communications.
Solceller kan forbedres
Søren Ulstrups drøm er at erstatte konventionelle halvledere i blandt andet solceller og elektronik med nogle materialer, der kan meget mere end bare være halvledere.
Halvledere i elektronik består af silicium, der kan tænde og slukke for strømmen af elektroner, og det er den egenskab, der gør silicium velegnet inden for netop disse områder.
Søren Ulstrup vil gerne udvikle materialer, der kan noget mere end bare at tænde og slukke for strømmen af elektroner. For eksempel har han en ambition om at udvikle et materiale, der er bedre end silicium i solceller til at omdanne lys til energi og bedre til at transportere elektriciteten væk fra solcellen og videre ud i systemet.
»Det vil betyde, at solcelleteknologien vil blive meget mere effektiv, hvilket er et stort mål for fremtiden,« forklarer han.
Satte to ultratynde materialer sammen
I forsøgene, der ledte op til den usædvanlige opdagelse, undersøgte Søren Ulstrup med sine kollegaer muligheden for at kombinere to materialer for at få ét materiale med bedre omdannelse af sollys til energi og bedre ledningsevne.
Til formålet skelede forskerne først og fremmest til materialet wolframdisulfid, der faktisk kan findes i olie til cykelkæder, da det er et godt smøremiddel.
Det er samtidig en god halvleder, der meget effektivt kan høste energi fra sollys ved at løfte elektronerne i materialet til et højere energiniveau.
Endelig er det muligt at lave ekstremt tynde lag af wolframdisulfid på kun ganske få atomer. Netop det meget tynde lag af atomer er karakteriseret ved, at vekselvirkningen mellem lys og elektroner er meget stærk og derved effektiv.
Det andet lag i den sandwich, som forskerne fra Aarhus Universitet ønskede at designe, er grafen.
Grafen er voldsomt effektivt i forhold til at lede elektricitet væk og kan gøre det med en hastighed, der nærmer sig lysets.
Samtidig består grafen udelukkende af kulstof med en tykkelse på ét enkelt lag af atomer.
»Derudover er grafen netop kendt for at være rigtig godt til at lede elektroner rundt. Tanken med at sætte wolframdisulfid sammen med grafen i en sandwich var at skabe et materiale med de bedste egenskaber fra begge disse to komponenter, så vi både kunne høste energien i sollyset meget effektivt og få ledt denne energi hurtigt videre i form af elektricitet,« siger Søren Ulstrup.
Helt ny partikel opstod
Da forskerne satte de to ultratynde lag sammen, fik de dog ikke det ud af det, som de havde forventet.
I stedet for et godt solcellemateriale fik de en helt anden type materiale med nogle overraskende egenskaber.
Søren Ulstrup forklarer, at når grafen og wolframdisulfid sættes sammen på den måde, som forskerne har gjort, begynder elektronerne at udføre svingninger inde i grafen-laget, og de svingninger vekselvirker med elektroner, som er løftet til højere energiniveauer i wolframdisulfid, så der opstår en helt ny form for partikel kaldet for en polaron.
En polaron kaldes også en kvasipartikel indenfor det kondenserede stofs fysik, og det term dækker over kvantesystemer, hvor en enkelt elektron vekselvirker med svingninger af de omgivende elektroner eller atomer.
Dannelsen af polaroner gør, at sandwichen grafen-wolframdisulfid ikke kan bruges som materiale i effektive solceller, men til gengæld indikerer opdagelsen, at det er muligt at styre det kombinerede materiales kvanteegenskaber, hvilket kan være særdeles interessant, når man skal realisere faste stoffer, der kan udføre kvantesimuleringer, hvilket kan bruges som grundlæggende hardware i en kvantecomputer.
»Alle materialets elektriske og optiske egenskaber ændres, når denne polaron opstår. Det er første gang, at nogen observerer denne slags vekselvirkninger mellem to forskellige atomtynde materialer. Derfor er studiet banebrydende. At vi så ikke kan bruge kombinationen af grafen og wolframdisulfid som en effektiv solcelle er ærgerligt, men kan man til gengæld styre vekselvirkningerne på tværs af materialerne, kan det være rigtig interessant i forhold til at realisere nye former for kvantesystemer,« siger Søren Ulstrup.
