Фотоэлектричество ночью — графен можно научить вырабатывать ток от инфракрасного света

Опрос

реклама

Новости Hardware

Самое интересное в обзорах

30.10.2026 [13:16], 

Графен хорошо поглощает свет и обладает высокой подвижностью электронов, но для солнечных панелей он не подходит по причине высокой скорости рекомбинации носителей заряда. Группа европейских учёных придумала, как преодолеть это ограничение, обещая создать графеновые фотоэлектрические панели для получения электричества от инфракрасного света. Работа пока теоретическая, эксперименты — впереди.

Источник изображения: HZDR

Расчёты представили исследователи из Центра Гельмгольца в Дрездене (HZDR). Проблема графена как фотоэлектрического материала заключается в отсутствии запрещённой энергетической зоны, которая в традиционных полупроводниковых солнечных элементах помогает разделять электрические заряды. Хорошее поглощение света графеном и высокая подвижность электронов в нём упираются в быструю рекомбинацию электронов и дырок после поглощения энергии фотона.

Учёные предположили, что раз у графена нет естественной возможности развести дырки и электроны к разным электродам, то им в этом надо помочь. Поэтому они предложили решать эту задачу с помощью сочетания магнитного поля и специально сформированного барьера в виде электрического потенциала.

Внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости графена, заставляет электроны и дырки двигаться по искривлённым траекториям, причём в противоположных направлениях. Ранее для управления этим движением предлагалось использовать края или складки графенового листа — своего рода оригами, однако создание таких структур затрудняет масштабирование технологии и повышает вероятность дефектов. При «кройке и шитье» будет много отходов.

Новая концепция предполагает размещение над графеном или под ним тонких металлических электродов, отделённых от графена прозрачным изолирующим слоем. Подавая на них напряжение, можно создавать участки с положительным и отрицательным электрическим потенциалом, которые действуют подобно направляющим барьерам или электропастухам, если уместно такое определение. Отрицательный барьер отталкивает электроны, пропуская дырки, а положительный действует противоположным образом. В результате носители заряда можно направлять к разным электрическим контактам без необходимости разрезать или деформировать графен.

В своей работе исследователи математически описали движение носителей заряда и рассчитали условия, при которых предложенный механизм должен работать. В качестве примера рассмотрена система с графеном, заключённым между прозрачными изолирующими слоями нитрида бора толщиной около 30 нм. Предполагается использовать металлические электроды шириной около 200 нм, а расстояние между ними подбирать в соответствии с радиусом движения носителей заряда.

Для инфракрасных фотонов с энергией около 0,1 эВ расчётный радиус составляет примерно 1 мкм при магнитном поле 0,1 Тл. Соответственно, расстояние между управляющими электродами должно быть порядка 2 мкм. Напряжения порядка нескольких вольт позволяют сформировать необходимые потенциальные барьеры. Изменяя напряжение и переключая отдельные электроды, можно адаптировать систему к разным энергиям фотонов.

Особый интерес разработка представляет для создания фотоэлектрических устройств, способных использовать инфракрасное излучение, которое не может эффективно преобразовываться обычными кремниевыми солнечными элементами из-за недостаточной энергии фотонов. Авторы также рассматривают применение технологии в световых сенсорах и графеновой электронике.

Для увеличения поглощения света предлагается объединять несколько графеновых слоёв, разделённых прозрачными прослойками нитрида бора, и использовать зеркала, обеспечивающие многократное прохождение излучения через активную структуру. Магнитное поле при этом не обязательно создавать электричеством, достаточно постоянных магнитов — это будет дёшево и эффективно.

Источник:

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.