Barrières de protection électriques pour porteurs de charge
Une équipe de l'HZDR propose une nouvelle approche pour exploiter le graphène dans les cellules solaires
Annonces
Le graphène est un matériau ultrafin et hautement conducteur qui offre de grandes perspectives pour les futures applications électroniques. Cependant, sa capacité à convertir la lumière en électricité reste limitée. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont proposé une nouvelle approche qui combine un champ magnétique et des tensions électriques soigneusement contrôlées afin de séparer les porteurs de charge générés lorsque le graphène absorbe la lumière. Comme l'explique l'équipe dans la revue Physical Review Applied (DOI : 10.1103/k1y8-vr4y), ce concept pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les cellules solaires, les capteurs de lumière et l'électronique à base de graphène.
Un champ magnétique perpendiculaire à la feuille de graphène fait dévier la trajectoire des électrons et des « trous » (en bleu et orange). Les tensions appliquées aux électrodes, représentées en doré, créent des barrières de potentiel qui agissent comme des glissières de sécurité.
Copyright: B. Schröder/HZDR
Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone dans laquelle les électrons peuvent se déplacer avec une grande mobilité, ce qui en fait un matériau prometteur pour les composants électroniques à haute vitesse. Pourtant, il n’est pas très efficace pour convertir la lumière en électricité. Bien que la lumière absorbée par le graphène excite les électrons, laissant derrière elle des porteurs de charge positive appelés « trous », l’énergie lumineuse absorbée ne peut être exploitée efficacement que si les électrons et les trous sont séparés et dirigés vers des contacts différents.
Les cellules solaires conventionnelles utilisent des semi-conducteurs tels que le silicium, dont la bande interdite joue un rôle clé dans la conversion de la lumière en énergie électrique. Le graphène ne possède pas une telle bande interdite. « C’est pourquoi nous devons imaginer un mécanisme différent », explique le professeur Ralf Schützhold, directeur de l’Institut de physique théorique du HZDR. Une option consiste à découper ou à plier le graphène pour créer de minuscules arêtes. Lorsque la lumière est absorbée par le matériau, créant ainsi des porteurs de charge, un champ magnétique appliqué au graphène force ces porteurs à suivre des trajectoires circulaires. Les arêtes agissent comme des glissières de sécurité, guidant les porteurs de charge dans des directions opposées : les électrons et les trous s’éloignent les uns des autres et sont séparés.
Une tension à la place des bords
La création de tels bords représente toutefois un défi, et cette approche est difficile à transposer à des surfaces plus grandes – une condition préalable aux applications pratiques. C’est pourquoi l’équipe du HZDR propose un nouveau concept : « Au lieu d’un bord, nous proposons d’utiliser des tensions électriques, générant des barrières de potentiel, comme glissières de sécurité », explique Schützhold. Concrètement, le projet consiste à placer des électrodes métalliques étroites sur une couche isolante située au-dessus ou au-dessous du graphène. L’application de tensions aux électrodes crée des barrières de potentiel dans le graphène. Élément crucial : un champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan du graphène fait suivre aux électrons et aux trous des trajectoires circulaires dans des directions opposées. Combiné aux barrières de potentiel, ce phénomène produit un mouvement dirigé : un électron décrit un arc, est réfléchi par la barrière, puis poursuit sa trajectoire le long d’un autre arc. Une barrière de potentiel négative réfléchit les électrons et laisse passer les trous, tandis qu’une barrière positive a l’effet inverse. De cette manière, les électrons et les trous sont guidés vers des contacts opposés.
Dans leur étude, l’équipe a calculé les conditions dans lesquelles ce mécanisme devrait fonctionner. Par exemple, les barrières doivent être suffisamment hautes et larges pour empêcher les électrons de simplement les traverser. L’espacement entre les électrodes doit également être adapté aux trajectoires circulaires, dont la taille dépend à la fois de l’intensité du champ magnétique et de l’énergie de la lumière absorbée. L’un des avantages de ce concept réside dans sa flexibilité. « Nous pouvons ajuster la tension au niveau des électrodes », souligne Schützhold. En modifiant les tensions ou en activant et désactivant certaines électrodes, il devrait être possible d’adapter le transport de charge à différentes énergies lumineuses. De plus, des réseaux d’électrodes pourraient étendre ce concept à des surfaces de graphène plus vastes sans qu’il soit nécessaire de découper ou de plier le matériau.
Perspectives pour la captation de la lumière infrarouge
À long terme, cette approche pourrait s’avérer particulièrement intéressante pour les cellules solaires utilisant le rayonnement infrarouge. L’absence de bande interdite offre ici une opportunité : contrairement au silicium, le graphène peut également absorber des photons infrarouges dont l’énergie est trop faible pour générer des paires électron-trou dans les cellules solaires en silicium classiques. D’autres applications pourraient inclure des capteurs pour la lumière visible ou le rayonnement infrarouge. De même, les électrodes pourraient être utilisées pour définir des trajets variables pour les charges électriques – une perspective pour l’électronique à base de graphène.
Un premier montage expérimental pourrait ressembler à un minuscule sandwich : une couche de graphène entre deux couches isolantes transparentes, surmontée de fines bandes métalliques auxquelles on applique des tensions de l’ordre du volt. Pour convertir le rayonnement infrarouge en courant électrique, l’espacement entre ces bandes devrait être de l’ordre du micromètre. D’après les calculs de l’équipe, un champ magnétique d’environ 0,1 tesla, pouvant être généré à l’aide d’aimants permanents, devrait suffire. L’absorption de la lumière pourrait être augmentée en empilant plusieurs couches de graphène séparées par des couches isolantes transparentes et en ajoutant des miroirs. La lumière traverserait ainsi plusieurs fois les couches actives, augmentant ainsi les chances d’absorption. Les composants nécessaires sont disponibles, et le HZDR prévoit de mener des expériences pour les assembler et les tester. Schützhold se montre optimiste : « Même avec les bords du graphène, les expériences ont confirmé notre prédiction théorique – le signal était en réalité plus fort que prévu. C’est pourquoi j’espère que notre nouvelle approche fonctionnera également. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
