Barriere elettriche per portatori di carica
Il team dell'HZDR propone un nuovo approccio per sfruttare il grafene nelle celle solari
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Il grafene è un materiale ultrasottile e altamente conduttivo che offre grandi prospettive per le future applicazioni elettroniche. Tuttavia, la sua capacità di convertire la luce in elettricità è limitata. I ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno proposto un nuovo approccio che combina un campo magnetico con tensioni elettriche accuratamente controllate per separare i portatori di carica generati quando il grafene assorbe la luce. Come spiega il team sulla rivista *Physical Review Applied* (DOI: 10.1103/k1y8-vr4y), questo concetto potrebbe aprire nuove possibilità per le celle solari, i sensori di luce e l’elettronica basata sul grafene.
Un campo magnetico perpendicolare al foglio di grafene fa deviare le traiettorie degli elettroni e dei “buchi” (in blu e arancione). Le tensioni applicate agli elettrodi, rappresentati in oro, creano barriere di potenziale che fungono da barriere di sicurezza.
Copyright: B. Schröder/HZDR
Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio in cui gli elettroni possono muoversi con elevata mobilità, rendendolo promettente per componenti elettronici ad alta velocità. Tuttavia, non è molto efficiente nel convertire la luce in elettricità. Sebbene la luce assorbita dal grafene ecciti gli elettroni, lasciando dietro di sé portatori di carica positiva chiamati «buchi», l’energia luminosa assorbita non può essere sfruttata efficacemente a meno che elettroni e buchi non vengano separati e indirizzati verso contatti diversi.
Le celle solari convenzionali utilizzano semiconduttori come il silicio, il cui gap di banda svolge un ruolo chiave nella conversione della luce in energia elettrica. Il grafene non presenta tale gap. «Ecco perché dobbiamo ideare un meccanismo diverso», afferma il prof. Ralf Schützhold, direttore dell’Istituto di Fisica Teorica dell’HZDR. Un’opzione consiste nel tagliare o piegare il grafene per creare minuscoli bordi. Quando la luce viene assorbita dal materiale, creando portatori di carica, un campo magnetico applicato al grafene costringe questi portatori a seguire percorsi circolari. I bordi fungono da guardrail, guidando i portatori di carica in direzioni opposte: elettroni e lacune si allontanano e vengono separati.
Tensione invece di bordi
La creazione di tali bordi è tuttavia impegnativa e l’approccio è difficile da estendere a superfici più ampie – un prerequisito per le applicazioni pratiche. Ecco perché il team dell’HZDR propone un nuovo concetto: «Invece di un bordo, proponiamo di utilizzare tensioni elettriche, che generano barriere di potenziale, come guardrail», spiega Schützhold. Nello specifico, il piano prevede di posizionare elettrodi metallici stretti su uno strato isolante sopra o sotto il grafene. L’applicazione di tensioni agli elettrodi crea barriere di potenziale nel grafene. Fondamentalmente, un campo magnetico applicato perpendicolarmente al piano del grafene fa sì che elettroni e lacune seguano traiettorie circolari in direzioni opposte. Insieme alle barriere di potenziale, ciò produce un movimento diretto: un elettrone descrive un arco, viene riflesso dalla barriera e prosegue lungo un altro arco. Una barriera di potenziale negativa riflette gli elettroni e lascia passare i buchi, mentre una barriera positiva ha l’effetto opposto. In questo modo, elettroni e buchi vengono guidati verso contatti opposti.
Nel loro studio, il team ha calcolato le condizioni alle quali il meccanismo dovrebbe funzionare. Ad esempio, le barriere devono essere sufficientemente alte e larghe per impedire che gli elettroni le attraversino semplicemente. Anche la distanza tra gli elettrodi deve essere adeguata alle traiettorie circolari, la cui dimensione dipende sia dall’intensità del campo magnetico sia dall’energia della luce assorbita. Uno dei vantaggi di questo concetto è la sua flessibilità. «Possiamo regolare la tensione agli elettrodi», sottolinea Schützhold. Modificando le tensioni o attivando e disattivando singoli elettrodi, dovrebbe essere possibile adattare il trasporto di carica a diverse energie luminose. Inoltre, le matrici di elettrodi potrebbero estendere il concetto a superfici di grafene più ampie senza la necessità di tagliare o piegare il materiale.
Prospettive per la raccolta della luce infrarossa
A lungo termine, questo approccio potrebbe rivelarsi particolarmente interessante per le celle solari che utilizzano la radiazione infrarossa. L’assenza di un gap di banda offre qui un’opportunità: a differenza del silicio, il grafene può assorbire anche fotoni infrarossi la cui energia è troppo bassa per generare coppie elettrone-lacuna nelle celle solari convenzionali al silicio. Altre applicazioni potrebbero includere sensori per la luce visibile o la radiazione infrarossa. Analogamente, gli elettrodi potrebbero essere utilizzati per definire percorsi variabili per le cariche elettriche – una prospettiva per l’elettronica basata sul grafene.
Un primo setup sperimentale potrebbe assomigliare a un minuscolo sandwich: uno strato di grafene tra strati isolanti trasparenti, con sottili strisce metalliche disposte trasversalmente sulla parte superiore, alle quali vengono applicate tensioni nell’ordine dei volt. Per convertire la radiazione infrarossa in corrente elettrica, la distanza tra gli strati dovrebbe essere nell’ordine dei micrometri. Secondo i calcoli del team, dovrebbe essere sufficiente un campo magnetico di circa 0,1 tesla, generabile tramite magneti permanenti. L’assorbimento della luce potrebbe essere aumentato sovrapponendo diversi strati di grafene separati da strati isolanti trasparenti e aggiungendo specchi. La luce attraverserebbe più volte gli strati attivi, aumentando le probabilità di assorbimento. I componenti necessari sono disponibili e l’HZDR sta pianificando esperimenti per assemblarli e testarli. Schützhold è ottimista: «Anche con i bordi del grafene, gli esperimenti hanno confermato la nostra previsione teorica: il segnale era in realtà più forte del previsto. Ecco perché spero che anche il nostro nuovo approccio funzioni».
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