Riesen magneto-photoelektrischer Effekt in Graphen

• Antragsteller: Dr. Friedemann Queisser
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398912239

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist theoretisch durch das Shockley-Queisser-Limit begrenzt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll ein alternativer Aufbau zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie theoretisch analysiert werden. Das Kernstück dieser Anordnung ist eine Graphenfalte (oder eine Grapheneflocke mit Rand) in einem konstanten Magnetfeld.Die Elektronen und Löcher bewegen sich im Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen,sodass durch die Reflexion an der Falte (am Rand) eine effektive Ladungstrennung stattfindet und ein elektrischer Strom entlang der Falte (entlang des Randes) generiert wird.Da die mittlere freie Weglänge in Graphen bis zu einem Mikrometer beträgtwährend der typische Zyklotronradius für ein Elektron (für eine Energie im meV-Bereich und einem Magnetfeld von einigen Tesla) im Nanometer-Bereich liegt ist, wird die Ladungstrennung nur unwesentlich durch Streuprozesse gestört.Die Bandstruktur von Graphen weist keine Energielücke auf, daher können auch langwellige Photonen absorbiert werden. Aus diesen Gründen ist es durchaus möglich, dass der Wirkungsgrad dieses Aufbaus den Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarzellen übertreffen kann. In der Tat wurden in einer ersten experimentellen Untersuchungen bis zu 17 Elektron-Loch-Paaren für je 100 einfallende Photonen erzeugt,was im Widerspruch zur Absorptionswahrscheinlichkeit von Graphenvon etwa 2.3% steht.Eine mögliche Ursache für diesen großen elektromagnetischen Photoeffekt ist die Generierung weiterer Elektron-Loch-Paare durch Coulomb-Streuungin der Nähe der Graphenfalte (des Graphenrandes).Im ersten Teilprojekt soll die Absorptionswahrscheinlichkeit einer Graphenfalte (eines Graphenrandes) im Magnetfeld im Einteilchenbild untersucht werden.Unter Zuhilfenahme der Kontinuumsbeschreibung des Graphen-Hamiltonianssoll insbesondere deren Abhängigkeit vom Wert des magnetischen Feldes, des chemischen Potentials und von externen elektrischen Feldern analysiert werden.Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wird im nachfolgenden Teilprojekt die sekundäre Elektron-Loch-Paarerzeugung untersucht. Zunächst sollen mit Fermis Goldener Regel die Wahrscheinlichkeiten für die jeweiligen Streuprozesse qualitativ abgeschätzt werden.Da der dimensionslose Parameter der Störungsreihe (die effektive Feinstrukturkonstante von Graphen) etwa 300 mal größer ist als die Feinstrukturkonstante im Vakuum,wollen wir auch zwei nichtpertubative Methoden verwenden.Die erste Methode beruht auf einer Kettenbruch-Darstellung von Lösungen der Vielteilchen-Lippmann-Schwinger-Gleichung. Aufgrund der Approximation des exakten Zustandes durch nicht-polynomiale Ausdrücke erwarten wir ein besseres Konvergenzverhalten im Vergleich mit polynomialer Störungstheorie. Die zweite Methode beruht auf einer Hierarchie von Korrelationsfunktionen.In einem weiteren Teilprojekt soll der Einfluß der Formdes Graphenrandes auf die Stromerzeugung studiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen