Графен - это один слой атомов углерода, в котором электроны обладают высокой подвижностью. Это делает его перспективным для быстродействующей электроники, но преобразовывать свет в электричество он умеет плохо. Свет в графене возбуждает электроны, оставляя положительно заряженные "дырки", однако энергию нельзя использовать, пока электроны и дырки не разделены и не направлены к разным контактам.

Обычные солнечные элементы из кремния полагаются на запрещённую зону - диапазон энергий, в котором нет разрешённых состояний для электронов. У графена такой зоны нет. "Поэтому нам приходится придумывать другой механизм", - говорит Ральф Шютцхольд, директор Института теоретической физики HZDR (Центр имени Гельмгольца в Дрездене, Германия).

Один из вариантов - разрезать или сложить графен, создав крошечные края. В магнитном поле, приложенном к материалу, заряды начинают двигаться по круговым траекториям, а края работают как отбойники, направляя электроны и дырки в противоположные стороны. Но такие края трудно создавать, и метод плохо масштабируется на большие площади, что необходимо для практики.

Поэтому команда HZDR предлагает новую концепцию: вместо краёв использовать электрические напряжения, создающие потенциальные барьеры. Над или под графеном, на изолирующем слое, размещают узкие металлические электроды. Подача напряжения создаёт в графене барьеры, которые играют роль отбойников.

Магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости графена, заставляет электроны и дырки двигаться по дугам в противоположных направлениях. В сочетании с барьерами это даёт направленное движение: электрон описывает дугу, отражается от барьера и продолжает путь по другой дуге. Отрицательный барьер отражает электроны и пропускает дырки, положительный - наоборот. Так заряды попадают к противоположным контактам.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Applied, учёные рассчитали условия работы механизма. Барьеры должны быть достаточно высокими и широкими, чтобы электроны не проходили сквозь них. Расстояние между электродами нужно согласовать с размерами круговых траекторий, которые зависят от силы магнитного поля и энергии поглощённого света.

Гибкость концепции - в возможности настраивать напряжение на электродах. Меняя вольтаж или включая и выключая отдельные электроды, можно подстраивать перенос зарядов под разную энергию света. Кроме того, массивы электродов позволят охватить большие площади графена без разрезов и складок.

В долгосрочной перспективе подход может быть особенно интересен для солнечных элементов, использующих инфракрасное излучение. Отсутствие запрещённой зоны даёт преимущество: в отличие от кремния, графен способен поглощать инфракрасные фотоны, энергии которых слишком малы для создания пар электрон-дырка в обычных кремниевых элементах. Другие возможные применения - сенсоры видимого и инфракрасного света, а также управляемые траектории зарядов в графеновой электронике.

Первая экспериментальная установка может выглядеть как миниатюрный сэндвич: слой графена между прозрачными изолирующими слоями, а сверху - тонкие металлические полоски, к которым прикладывают напряжение в несколько вольт. Для преобразования инфракрасного излучения в ток расстояние между электродами должно быть порядка микрометра. По расчётам команды, достаточно магнитного поля около 0,1 тесла, которое можно создать постоянными магнитами.

Поглощение света можно усилить, сложив несколько слоёв графена с прозрачными изоляторами и добавив зеркала: свет будет проходить через активные слои несколько раз, повышая шансы на поглощение. Необходимые компоненты существуют, и HZDR планирует собрать и испытать установку. Шютцхольд надеется на успех: "Даже с краями графена эксперименты подтвердили наше теоретическое предсказание - сигнал оказался даже сильнее ожидаемого".

Источник: Phys.org