Графен можна навчити виробляти струм від інфрачервоного світла

Графен добре поглинає світло і має високу рухливість електронів, але для сонячних панелей він не підходить через високу швидкість рекомбінації носіїв заряду. Група європейських вчених придумала, як подолати це обмеження, обіцяючи створити графенові фотоелектричні панелі для отримання електрики від інфрачервоного світла. Робота поки що теоретична, експерименти — попереду.

Джерело зображення: HZDR

Розрахунки представили дослідники з Центру Гельмгольца в Дрездені (HZDR). Проблема графена як фотоелектричного матеріалу полягає в відсутності забороненої енергетичної зони, яка в традиційних напівпровідникових сонячних елементах допомагає розділяти електричні заряди. Гарне поглинання світла графеном і висока рухливість електронів у ньому наштовхуються на швидку рекомбінацію електронів і дірок після поглинання енергії фотона.

Вчені припустили, що оскільки у графена немає природної можливості розвести дірки і електрони до різних електродів, то їм у цьому потрібно допомогти. Тому вони запропонували вирішувати цю задачу за допомогою поєднання магнітного поля і спеціально сформованого бар'єра у вигляді електричного потенціалу.

Зовнішнє магнітне поле, спрямоване перпендикулярно площині графена, змушує електрони і дірки рухатися по викривленим траєкторіям, причому в протилежних напрямках. Раніше для управління цим рухом пропонувалося використовувати краї або складки графенового листа — своєрідне оригамі, однак створення таких структур ускладнює масштабування технології і підвищує ймовірність дефектів. При «крої та шитті» буде багато відходів.

Нова концепція передбачає розміщення над графеном або під ним тонких металевих електродів, відокремлених від графена прозорим ізоляційним шаром. Подаючи на них напругу, можна створювати ділянки з позитивним і негативним електричним потенціалом, які діють подібно до направляючих бар'єрів або електропастухів, якщо доречно таке визначення. Негативний бар'єр відштовхує електрони, пропускаючи дірки, а позитивний діє протилежним чином. В результаті носії заряду можна направляти до різних електричних контактів без необхідності різати або деформувати графен.

У своїй роботі дослідники математично описали рух носіїв заряду і розрахували умови, за яких запропонований механізм має працювати. Як приклад розглянута система з графеном, заключеним між прозорими ізоляційними шарами нітриду бору товщиною близько 30 нм. Передбачається використовувати металеві електроди шириною близько 200 нм, а відстань між ними підбирати відповідно до радіусу руху носіїв заряду.

Для інфрачервоних фотонів з енергією близько 0,1 еВ розрахунковий радіус становить приблизно 1 мкм при магнітному полі 0,1 Тл. Відповідно, відстань між керуючими електродами повинно бути порядку 2 мкм. Напруги порядку кількох вольт дозволяють сформувати необхідні потенційні бар'єри. Змінюючи напругу і перемикаючи окремі електроди, можна адаптувати систему до різних енергій фотонів.

Особливий інтерес розробка представляє для створення фотоелектричних пристроїв, здатних використовувати інфрачервоне випромінювання, яке не може ефективно перетворюватися звичайними кремнієвими сонячними елементами через недостатню енергію фотонів. Автори також розглядають застосування технології в світлових сенсорах і графеновій електроніці.

Для збільшення поглинання світла пропонується об'єднувати кілька графенових шарів, розділених прозорими прошарками нітриду бору, і використовувати дзеркала, що забезпечують багаторазове проходження випромінювання через активну структуру. Магнітне поле при цьому не обов'язково створювати електрикою, достатньо постійних магнітів — це буде дешево і ефективно.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки