Дослідники з німецького Центру Гельмгольца в Дрездені (HZDR) запропонували новий підхід до створення сонячних елементів і світлочутливої електроніки на основі графену. За допомогою електричної напруги та магнітного поля науковці розробили теоретичну схему, яка може допомогти перетворювати світло на спрямований потік електричного заряду.
Особливий інтерес технологія становить завдяки можливості працювати з інфрачервоним випромінюванням. Звичайні кремнієві сонячні елементи не здатні ефективно використовувати фотони з енергією нижче певного порога. Графенова система потенційно може розширити діапазон світла, придатного для перетворення на електроенергію. Втім, поки що йдеться про теоретичну розробку, а не готову сонячну панель.
Чому графен складно використовувати в сонячних елементах
Графен — це надзвичайно тонкий матеріал, утворений одним шаром атомів вуглецю, розташованих у формі шестикутної решітки. Він добре проводить електрику, має високу міцність і гнучкість, тому його розглядають як перспективний компонент електроніки нового покоління.
Однак є важлива проблема: графен не має забороненої зони — енергетичного проміжку, який відіграє ключову роль у роботі традиційних напівпровідників, зокрема кремнію.
Коли світло потрапляє на графен, воно може збуджувати електрони, залишаючи після них позитивно заряджені носії — так звані дірки. Але ці заряди складно розділити та спрямувати до електродів, щоб отримати корисний електричний струм. Саме це обмежує можливості звичайного графену в сонячній енергетиці.
Як електрична напруга допомагає керувати зарядами
Спочатку дослідники розглядали можливість створення потрібних властивостей графену за допомогою його розрізання та згинання. Так можна формувати мікроскопічні краї, які змінюють поведінку електронів. Проте цей підхід складно масштабувати для практичного виробництва.
Тому команда зосередилася на іншому рішенні — використанні електричної напруги. Для цього достатньо розмістити вузькі металеві електроди на ізоляційному шарі поруч із графеном. Подана напруга створює потенціальні бар’єри, які впливають на рух електронів і дірок.
Додатково застосовується магнітне поле. Під його дією заряджені частинки рухаються по викривлених траєкторіях, а електричні бар’єри допомагають спрямовувати їхній рух. У результаті можна організувати розділення зарядів і створити умови для виникнення електричного струму.
Важливо, що характеристики системи можна налаштовувати: змінюючи напругу або вимикаючи окремі електроди, дослідники можуть впливати на те, з якою енергією світла взаємодіятиме пристрій.
Чому інфрачервоне світло має особливе значення
Одна з найцікавіших можливостей запропонованої технології — потенційне використання інфрачервоних фотонів. Кремнієві сонячні елементи не можуть ефективно перетворювати на електрику світло, фотони якого не мають достатньої енергії для подолання ширини забороненої зони.
У графеновій системі механізм керування зарядженими частинками інший. За розрахунками авторів, для роботи з інфрачервоним випромінюванням може бути достатньо магнітного поля силою близько 0,1 тесла та відстані між електродами в кілька мікрометрів.
Щоб збільшити поглинання світла, науковці також розглядають можливість використання кількох шарів графену, розділених ізоляційними прошарками.
Чи замінить графен кремній у сонячних панелях
Запропонована концепція відкриває цікаві перспективи для сонячної енергетики, інфрачервоних датчиків і фотонної електроніки. Проте до практичного застосування ще потрібно пройти шлях від теоретичних розрахунків до створення та випробування реальних пристроїв. Дослідникам необхідно перевірити, наскільки ефективно така система перетворюватиме світло на електрику, чи можна виготовляти її у великих масштабах і які будуть втрати енергії.
Результати роботи опублікували в журналі Physical Review Applied. Поки що вони не означають, що графен готовий замінити кремній у сонячних панелях. Однак запропонований механізм може стати основою для нового покоління світлочутливих пристроїв, здатних працювати з діапазонами випромінювання, які традиційні технології використовують обмежено.