Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Allemagne ont proposé une nouvelle façon de fabriquer des cellules solaires, des capteurs de lumière et des composants électroniques basés sur la lumière en utilisant le graphène comme matériau de base au lieu du silicium. Cela pourrait ouvrir à l’avenir un nouveau domaine de l’électronique, dans lequel la lumière pourrait être utilisée directement comme source d’énergie.
Le graphène est une feuille bidimensionnelle d’atomes de carbone disposés selon un réseau hexagonal mais d’une épaisseur d’un seul atome. Il sert de base aux nanotubes de carbone et au graphite et est utilisé dans des applications allant des écrans flexibles aux batteries au lithium.
Le matériau est excellent pour conduire les électrons mais pas très efficace pour convertir la lumière en électricité. Bien que la lumière excite les électrons du graphène, ces électrons ne peuvent pas être utilisés comme électricité, car les « trous » laissés par les électrons ne sont pas séparés et ne peuvent pas être dirigés vers les électrodes, ce que le silicium peut extrêmement bien faire.
Comment le graphène peut agir comme le silicium
Les semi-conducteurs comme le silicium sont utilisés dans les cellules solaires car ils ont une bande interdite. Il s’agit de l’énergie nécessaire pour exciter un électron de son état de basse énergie vers la bande de conduction de plus haute énergie où il peut se déplacer librement et conduire l’électricité. Le graphène, en revanche, ne possède pas une telle bande interdite.
Ralf Schützhold, professeur de physique théorique au HZDR, suggère donc de créer une telle bande interdite par d’autres moyens, comme couper et plier le graphène pour créer de minuscules bords. Lorsque la lumière incidente crée des électrons et des trous dans le graphène modifié, un champ magnétique peut être appliqué pour faire bouger les porteurs de charge selon des trajectoires circulaires.
Les bords de la configuration sont censés être des garde-corps qui dirigent les porteurs de charge dans des directions opposées. Ainsi, les électrons et les trous peuvent être séparés et amenés à transporter l’électricité.
Quand la tension fait le travail
Même si cette approche peut fonctionner, elle n’est pas évolutive et ne peut donc pas être déployée dans des scénarios réels. Au lieu d’utiliser les bords, les chercheurs du HZDR ont ensuite examiné la tension électrique comme un garde-fou, relativement simple à déployer dans le graphène.
Des électrodes métalliques étroites placées sur une couche isolante suffisent pour appliquer une tension à une feuille de graphène et créer des barrières potentielles au flux d’électrons et de trous. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué au graphène, les électrons et les trous suivent des trajectoires circulaires, qui peuvent être converties en mouvement dirigé à l’aide des barrières créées par la tension.
Une barrière chargée négativement réfléchit les électrons, tandis qu’une barrière chargée positivement les attire ; ces barrières sont utilisées pour diriger leur flux. Les chercheurs ont déterminé la hauteur des barrières et leur largeur nécessaire pour que les électrons puissent les traverser.
Le dispositif expérimental ressemble beaucoup à un sandwich avec une couche de graphène coincée entre deux électrodes. L’avantage de cette approche est que le transport de charge peut être ajusté à différentes énergies lumineuses en modifiant la tension ou en éteignant les électrodes.
Si le silicium peut fonctionner avec la lumière visible, une cellule solaire à base de graphène pourrait également fonctionner avec des photons infrarouges, considérés comme trop faibles pour générer des paires électron-trou dans le silicium.
Selon les chercheurs, pour convertir la lumière infrarouge en électricité, un champ magnétique de 0,1 Tesla et un espacement de quelques micromètres seraient suffisants. Pour augmenter l’absorption de la lumière, plusieurs couches de graphène séparées par des couches isolantes peuvent être ajoutées.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Examen physique appliqué.
