Графен известен своей исключительной электропроводностью, прочностью и малой толщиной. Однако у этого перспективного материала есть существенный недостаток: он плохо подходит для непосредственного преобразования света в электричество. Исследователи из Германии предложили способ обойти это ограничение, используя электрическое напряжение и магнитное поле. Новая технология может открыть путь к созданию солнечных элементов и световых датчиков, работающих в том числе с инфракрасным излучением.
Почему графен пока не заменил кремний?
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной всего в один атом, расположенных в виде шестиугольной решётки. Благодаря своим свойствам он привлекает внимание разработчиков электроники, аккумуляторов, гибких дисплеев и различных сенсоров.
Но высокая электропроводность сама по себе ещё не делает материал подходящим для солнечных батарей.
В традиционных фотоэлектрических элементах, изготовленных из кремния, свет передаёт энергию электронам, переводя их в состояние, в котором они могут свободно перемещаться по материалу. При этом возникают пары носителей заряда: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные электронные вакансии, называемые дырками. Если разделить эти заряды и направить их движение, во внешней цепи появится электрический ток.
Важную роль в этом процессе играет ширина запрещённой зоны — энергетического интервала, который электрон должен преодолеть, чтобы перейти в состояние, допускающее свободное движение. Именно эта характеристика позволяет полупроводникам эффективно управлять образованием и переносом зарядов.
У графена в обычном состоянии такой запрещённой зоны нет. Свет действительно возбуждает в нём электроны, но образовавшиеся носители заряда трудно разделить и направить к электродам так, чтобы получить полезный электрический ток.
Иными словами, графен хорошо проводит электричество, но сам по себе не обеспечивает необходимого механизма его эффективной генерации под действием света. Именно эту проблему попыталась решить команда исследователей из Центра Гельмгольца в Дрездене — Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Как работает новая технология?
Первоначально учёные рассматривали возможность изменения структуры графена путём создания в нём крошечных краёв и изгибов. Предполагалось, что такая геометрия позволит сформировать энергетические барьеры, разделяющие электроны и дырки.
В сочетании с магнитным полем этот подход должен был направлять носители заряда по разным траекториям, помогая преобразовывать энергию света в электричество.
Однако у такого решения обнаружился существенный недостаток: сложная обработка графена затрудняет масштабирование технологии и её применение в реальных устройствах.
Поэтому исследователи предложили более практичный вариант — управлять движением зарядов с помощью электрического напряжения.
В экспериментальной конструкции графеновый слой располагается между электродами, а узкие металлические контакты, размещённые на изолирующем слое, позволяют создавать в материале электрические барьеры. Они действуют подобно направляющим, изменяющим траектории движения носителей заряда.
Магнитное поле заставляет электроны и дырки двигаться по искривлённым траекториям. При этом электрические барьеры позволяют управлять их перемещением: один тип носителей отражается от барьера, тогда как другой может проходить через него или притягиваться к нему — в зависимости от конфигурации электрического поля.
В результате исследователи рассчитывают разделять положительные и отрицательные заряды и направлять их движение таким образом, чтобы получать электрический ток.
Важное преимущество этой схемы заключается в возможности регулировать её работу. Изменяя приложенное напряжение или отключая электроды, можно настраивать перенос зарядов под воздействием света с разными энергетическими характеристиками.
Почему инфракрасное излучение особенно важно?
Одна из наиболее интересных особенностей графеновых солнечных элементов — потенциальная способность работать с инфракрасным излучением.
Обычные кремниевые солнечные батареи преобразуют только ту часть спектра, энергия фотонов которой достаточна для возбуждения электронов через запрещённую зону. Фотоны с меньшей энергией не способны обеспечить такой переход.
Инфракрасное излучение включает фотоны, энергия которых часто оказывается недостаточной для непосредственного возбуждения электронов в кремнии. Поэтому возможность использовать его для выработки электричества представляет значительный интерес.
Предложенная схема управления носителями заряда в графене потенциально позволяет обойти это ограничение. Согласно расчётам исследователей, для работы с инфракрасными фотонами может быть достаточно магнитного поля с индукцией около 0,1 тесла и расстояния между элементами структуры в несколько микрометров.
Это пока не означает, что новая технология уже позволяет создавать эффективные промышленные солнечные панели. Речь идёт о теоретически обоснованном подходе, который необходимо дополнительно исследовать и проверить в экспериментальных устройствах.
Если его удастся реализовать на практике, графен сможет найти применение в фотоэлектрических системах, способных использовать более широкий диапазон светового излучения.
Как повысить эффективность поглощения света?
Для практического применения необходимо решить ещё одну задачу: обеспечить поглощение достаточного количества падающего излучения.
Отдельный слой графена чрезвычайно тонок, поэтому его взаимодействие со светом ограничено. Один из предложенных исследователями вариантов — использовать несколько графеновых слоёв, разделённых изоляционными прослойками.
Такая многослойная структура позволит увеличить количество поглощаемого света, сохраняя возможность управлять переносом зарядов. При этом конструкция должна быть организована так, чтобы дополнительные слои не ухудшали разделение носителей и работу всей системы.
Подобный подход может оказаться полезным не только для солнечной энергетики. Управляемое взаимодействие света с графеном представляет интерес и для фотодетекторов — устройств, преобразующих световой сигнал в электрический, — а также для оптоэлектроники, объединяющей оптические и электронные технологии.
Что это означает для солнечной энергетики?
Работа немецких исследователей демонстрирует, что ограничения графена не обязательно требуют изменения его химического состава. В некоторых случаях необходимые свойства можно получить, управляя движением электронов и дырок с помощью внешних электрических и магнитных полей.
Если предложенный принцип удастся воплотить в надёжных устройствах, он позволит исследовать новые варианты графеновых солнечных элементов, инфракрасных датчиков и компонентов оптоэлектронных систем.
Однако до практического применения ещё предстоит пройти путь от расчётов и лабораторных экспериментов до изготовления устройств, проверки их эффективности и оценки стоимости производства.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Applied.
