Германские исследователи предложили солнечные элементы на основе графена, не требующие кремния

Репортаж от Wedoany，29 октября Дрезденско-Розендорфский центр имени Гельмгольца (HZDR) опубликовал исследование по фотоэлектрическому преобразованию в графене, в котором предложено использовать совместное действие магнитного поля и регулируемого напряжения на электродах для разделения электронов и дырок, возникающих при поглощении света графеном, что будет способствовать применению графена в солнечных элементах, фотодатчиках и оптоэлектронных приборах.

Графен состоит из одного слоя атомов углерода и обладает высокой подвижностью носителей заряда и электропроводностью, однако у него отсутствует запрещённая зона, характерная для традиционных полупроводников, поэтому электроны и дырки, возникающие под действием света, с трудом разделяются и направленно переносятся, что ограничивает преобразование световой энергии в электрическую. Исследовательская группа предложила разместить узкие металлические электроды на изолирующих слоях над и под графеном и путём подачи напряжения создать регулируемый потенциальный барьер; одновременно в направлении, перпендикулярном плоскости графена, прикладывается магнитное поле, заставляющее электроны и дырки двигаться в противоположных направлениях, а потенциальный барьер направляет носители заряда к различным электродам, формируя направленный ток.

Методами теоретических расчётов исследователи проанализировали связь между высотой и шириной потенциального барьера, расстоянием между электродами и напряжённостью магнитного поля. Для сценария преобразования инфракрасного света расчёты показали, что при напряжённости магнитного поля около 0,1 Тл и расстоянии между электродами порядка микрометров можно рассчитывать на разделение носителей заряда. Изменяя напряжение на электродах или переключая электроды, можно также менять траекторию движения носителей заряда, адаптируя прибор к падающему свету различной энергии. Исследовательская группа также предложила использовать чередующееся наложение нескольких слоёв графена и прозрачных изолирующих слоёв в сочетании с отражающей структурой для повышения поглощения света.

Одно из потенциальных направлений применения данной схемы — использование энергии инфракрасного света. По сравнению с традиционными кремниевыми солнечными элементами графен способен поглощать часть инфракрасных фотонов, энергии которых недостаточно для генерации электронно-дырочных пар в кремнии, поэтому исследователи полагают, что этот механизм в будущем может быть использован в инфракрасных фотоэлектрических приборах, а также распространён на датчики видимого и инфракрасного диапазона. Однако на данном этапе основное внимание исследования сосредоточено на механизме движения носителей заряда и его теоретических параметрах; измеренная эффективность или данные по выработке электроэнергии для солнечных элементов, изготовленных по этой новой схеме, пока не опубликованы.