Учёные предложили способ создавать солнечные элементы из графена без кремния
iXBT.com ·
Учёные из Центра Гельмгольца в Дрездене (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR) предложили теоретический способ использовать графен для преобразования света в электричество без применения кремния. В работе, опубликованной в журнале Physical Review Applied, они рассмотрели, как управлять движением электронов и дырок — положительно заряженных носителей, возникающих при возбуждении электронов светом. Разработанная схема сочетает магнитное поле с электрическим потенциалом, который можно формировать с помощью электродов или легирования материала.
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом. Он хорошо проводит электричество, но в обычных условиях не имеет запрещённой энергетической зоны, характерной для полупроводников вроде кремния. Из-за этого возбуждённые светом электроны и оставшиеся после них дырки не разделяются так, чтобы эффективно направлять их к электродам и получать электрический ток. Авторы работы рассматривают способ решить эту проблему, управляя траекториями носителей заряда, а не изменяя геометрию самого графена.
Ранее для разделения зарядов предлагалось использовать складки или края графенового листа. Однако такие структуры сложнее масштабировать, а их свойства могут зависеть от дефектов и несовершенств материала. В новой схеме используется плоский графен, на который воздействуют постоянным магнитным полем, направленным перпендикулярно поверхности, и электрическим потенциалом, меняющимся вдоль листа.
Электрический потенциал создаёт барьеры, управляющие движением электронов и дырок. В магнитном поле заряженные частицы движутся по искривлённым траекториям, а правильно сформированный профиль потенциала позволяет направлять их в разные стороны. В результате носители заряда можно разделить и использовать для создания электрического тока. По расчётам авторов, параметры барьеров — в частности, их высота и ширина — определяют, как именно будут перемещаться электроны.
Одно из возможных преимуществ подхода — возможность перенастраивать устройство под излучение с разной энергией. Для этого достаточно изменять приложенное напряжение или включать и отключать отдельные электроды. Авторы рассматривают, в частности, преобразование инфракрасного излучения: в предложенной схеме оно потенциально может участвовать в генерации электрического тока, хотя энергии инфракрасных фотонов может быть недостаточно для обычного возбуждения электронов через запрещённую зону кремния. Для рассмотренного режима авторы приводят ориентир магнитного поля около 0,1 тесла и расстояния между элементами порядка нескольких микрометров. Для повышения поглощения света также можно рассматривать многослойные структуры из графена и изолирующих прослоек.
Исследование пока описывает физическую модель и возможный принцип работы, а не готовую солнечную батарею. Авторы считают, что использование плоского графена и плавно меняющегося электрического потенциала должно облегчить масштабирование и сделать эффект менее чувствительным к дефектам. При этом взаимодействие между носителями заряда, включая возможное образование дополнительных электронно-дырочных пар в процессе, связанном с эффектом Оже, в работе подробно не учитывалось. Его влияние на практическую реализацию схемы ещё предстоит изучить.