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.