Barreiras de proteção elétricas para portadores de carga
A equipa do HZDR propõe uma nova abordagem para aproveitar o grafeno em células solares
Anúncios
O grafeno é um material ultrafino e altamente condutor que se revela muito promissor para futuras aplicações eletrónicas. No entanto, a sua capacidade de converter luz em eletricidade é limitada. Investigadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) propuseram uma nova abordagem que combina um campo magnético com tensões elétricas cuidadosamente controladas para separar os portadores de carga gerados quando o grafeno absorve luz. Conforme a equipa explica na revista Physical Review Applied (DOI: 10.1103/k1y8-vr4y), o conceito poderá abrir novas possibilidades para células solares, sensores de luz e eletrónica baseada no grafeno.
Um campo magnético perpendicular à folha de grafeno faz com que as trajetórias dos eletrões e dos «buracos» (azul e laranja) se curvem. As tensões aplicadas aos elétrodos, representados a dourado, criam barreiras de potencial que funcionam como guardas de proteção.
Copyright: B. Schröder/HZDR
O grafeno é uma camada única de átomos de carbono na qual os eletrões podem mover-se com elevada mobilidade, tornando-o promissor para componentes eletrónicos de alta velocidade. No entanto, não é muito eficiente na conversão de luz em eletricidade. Embora a luz absorvida pelo grafeno excite os eletrões, deixando para trás portadores com carga positiva chamados «buracos», a energia luminosa absorvida não pode ser aproveitada de forma eficaz, a menos que os eletrões e os buracos sejam separados e direcionados para contactos diferentes.
As células solares convencionais utilizam semicondutores como o silício, cuja banda proibida desempenha um papel fundamental na conversão da luz em energia elétrica. O grafeno não possui essa banda proibida. «É por isso que temos de conceber um mecanismo diferente», afirma o Prof. Ralf Schützhold, diretor do Instituto de Física Teórica do HZDR. Uma opção consiste em cortar ou dobrar o grafeno para criar pequenas arestas. Quando a luz é absorvida pelo material, criando portadores de carga, um campo magnético aplicado ao grafeno força esses portadores a seguirem trajetórias circulares. As arestas funcionam como guardas de proteção, guiando os portadores de carga em direções opostas — os eletrões e os buracos afastam-se e são separados.
Tensão em vez de bordas
No entanto, criar essas arestas é um desafio, e a abordagem é difícil de aplicar em superfícies maiores — um pré-requisito para aplicações práticas. É por isso que a equipa do HZDR propõe um novo conceito: «Em vez de uma aresta, propomos utilizar tensões elétricas, gerando barreiras de potencial, como guardas de proteção», explica Schützhold. Mais concretamente, o plano consiste em colocar elétrodos metálicos estreitos sobre uma camada isolante, acima ou abaixo do grafeno. A aplicação de tensões aos elétrodos cria barreiras de potencial no grafeno. Fundamentalmente, um campo magnético aplicado perpendicularmente ao plano do grafeno faz com que os eletrões e os buracos sigam trajetórias circulares em direções opostas. Juntamente com as barreiras de potencial, isto produz um movimento direcionado: um eletrão traça um arco, é refletido na barreira e continua ao longo de outro arco. Uma barreira de potencial negativa reflete os eletrões e deixa passar os buracos, enquanto uma barreira positiva tem o efeito oposto. Desta forma, os eletrões e os buracos são guiados para contactos opostos.
No seu estudo, a equipa calculou as condições em que o mecanismo deveria funcionar. Por exemplo, as barreiras têm de ser suficientemente altas e largas para impedir que os eletrões simplesmente as atravessem. O espaçamento entre os elétrodos também tem de ser adaptado às trajetórias circulares, cujo tamanho depende tanto da intensidade do campo magnético como da energia da luz absorvida. Uma vantagem do conceito é a sua flexibilidade. «Podemos ajustar a tensão nos elétrodos», salienta Schützhold. Ao alterar as tensões ou ligar e desligar elétrodos individuais, deverá ser possível adaptar o transporte de carga a diferentes energias luminosas. Além disso, matrizes de elétrodos poderiam alargar o conceito a superfícies de grafeno maiores, sem necessidade de cortar ou dobrar o material.
Perspetivas para a captação de luz infravermelha
A longo prazo, esta abordagem poderá revelar-se particularmente interessante para células solares que utilizam radiação infravermelha. A ausência de um intervalo de banda oferece aqui uma oportunidade: ao contrário do silício, o grafeno também consegue absorver fotões infravermelhos cuja energia é demasiado baixa para gerar pares de eletrões-lacunas nas células solares convencionais de silício. Outras aplicações poderiam incluir sensores para luz visível ou radiação infravermelha. Da mesma forma, os elétrodos poderiam ser utilizados para definir percursos variáveis para as cargas elétricas — uma perspetiva para a eletrónica baseada em grafeno.
Uma primeira configuração experimental poderia assemelhar-se a uma pequena sanduíche: uma camada de grafeno entre camadas isolantes transparentes, com finas tiras metálicas na parte superior, às quais são aplicadas tensões na ordem dos volts. Para converter a radiação infravermelha em corrente elétrica, o espaçamento deve situar-se na ordem dos micrómetros. De acordo com os cálculos da equipa, um campo magnético de cerca de 0,1 tesla, que poderia ser gerado utilizando ímanes permanentes, deveria ser suficiente. A absorção de luz poderia ser aumentada empilhando várias camadas de grafeno separadas por camadas isolantes transparentes e adicionando espelhos. A luz passaria pelas camadas ativas várias vezes, aumentando as hipóteses de absorção. Os componentes necessários estão disponíveis, e o HZDR está a planear experiências para os montar e testar. Schützhold mostra-se otimista: «Mesmo com as arestas do grafeno, as experiências confirmaram a nossa previsão teórica — o sinal foi, na verdade, mais forte do que o esperado. É por isso que espero que a nossa nova abordagem também funcione.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
