Немецкие ученые разработали революционный метод разделения электрических зарядов в графене, который позволит создавать высокоэффективные солнечные элементы нового поколения. Об этой технологической победе сообщает «Хайтек» со ссылкой на исследование в журнале Physical Review Applied.
Традиционные кремниевые батареи используют для генерации тока только видимый спектр излучения. Они физически не способны поглощать инфракрасные фотоны из-за фиксированной ширины запрещенной зоны в полупроводнике.
Сверхтонкий углеродный материал графен полностью лишен этого физического ограничения и легко впитывает инфракрасные лучи. Однако до сих пор инженеры не могли эффективно собирать полученную энергию из-за мгновенного обратного воссоединения освобожденных светом электронов и положительно заряженных «дырок».
Физики из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф придумали оригинальный способ решения этой фундаментальной проблемы электродинамики. Авторы идеи предложили использовать комбинацию перпендикулярного магнитного поля и миниатюрных золотых электродов.
Постоянные магниты создают поле силой всего около 0,1 теслы и принудительно закручивают траектории движения заряженных частиц в противоположные стороны. В свою очередь, наложенные поверх изолятора тонкие полоски электродов генерируют особые потенциальные барьеры.
Подобные невидимые преграды выполняют роль жестких электрических отбойников для хаотично летящих субатомных фракций. Электрон делает дугу в магнитном поле, натыкается на барьер и направленно рикошетит в сторону своего контакта.
Положительный барьер отражает «дырки» и беспрепятственно пропускает электроны, а отрицательный барьер работает с точностью до наоборот. Такая гибкая схема позволяет собирать ток на противоположных полюсах и масштабировать технологию на любые площади.
Инженеры могут легко подстраивать напряжение на электродах под меняющийся уровень энергии поглощаемого света. Для максимального увеличения КПД авторы планируют собирать фотоэлементы в многослойные сэндвичи с системой внутренних зеркал.
Сейчас немецкий исследовательский центр уже приступает к сборке первых лабораторных прототипов для проведения реальных физических тестов. Ученые рассчитывают использовать новую технологию не только в энергетике, но и при создании сверхчувствительных ночных сенсоров.
Обложка: в графене магнитное поле искривляет пути электронов и дырок (синие и оранжевые). Напряжение на золотых электродах создаёт барьеры, которые работают как отбойники. Источник: B. Schröder / HZDR
