Barreras de protección eléctricas para portadores de carga
Un equipo del HZDR propone un nuevo enfoque para aprovechar el grafeno en las células solares
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El grafeno es un material ultrafino y altamente conductor que ofrece grandes perspectivas para futuras aplicaciones electrónicas. Sin embargo, su capacidad para convertir la luz en electricidad es limitada. Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han propuesto un nuevo enfoque que combina un campo magnético con tensiones eléctricas cuidadosamente controladas para separar los portadores de carga generados cuando el grafeno absorbe la luz. Tal y como explica el equipo en la revista Physical Review Applied (DOI: 10.1103/k1y8-vr4y), este concepto podría abrir nuevas posibilidades para las células solares, los sensores de luz y la electrónica basada en el grafeno.
Un campo magnético perpendicular a la lámina de grafeno desvía la trayectoria de los electrones y los «huecos» (azul y naranja). Las tensiones aplicadas a los electrodos, representados en dorado, crean barreras de potencial que actúan como barreras de seguridad.
Copyright: B. Schröder/HZDR
El grafeno es una única capa de átomos de carbono en la que los electrones pueden moverse con gran movilidad, lo que lo convierte en un material prometedor para componentes electrónicos de alta velocidad. Sin embargo, no es muy eficiente a la hora de convertir la luz en electricidad. Aunque la luz absorbida por el grafeno excita a los electrones, dejando tras de sí portadores con carga positiva denominados «huecos», la energía lumínica absorbida no puede aprovecharse de forma eficaz a menos que los electrones y los huecos se separen y se dirijan a contactos diferentes.
Las células solares convencionales utilizan semiconductores como el silicio, cuya banda prohibida desempeña un papel clave en la conversión de la luz en energía eléctrica. El grafeno no tiene dicha banda prohibida. «Por eso tenemos que idear un mecanismo diferente», afirma el profesor Ralf Schützhold, director del Instituto de Física Teórica del HZDR. Una opción consiste en cortar o doblar el grafeno para crear pequeños bordes. Cuando el material absorbe la luz, generando portadores de carga, un campo magnético aplicado al grafeno obliga a estos portadores a seguir trayectorias circulares. Los bordes actúan como barreras de seguridad, guiando a los portadores de carga en direcciones opuestas: los electrones y los huecos se alejan entre sí y quedan separados.
Tensión en lugar de bordes
Sin embargo, crear tales bordes supone un reto, y este enfoque es difícil de ampliar a superficies más grandes —un requisito previo para las aplicaciones prácticas—. Por eso, el equipo del HZDR propone un nuevo concepto: «En lugar de un borde, proponemos utilizar voltajes eléctricos, que generan barreras de potencial, a modo de barreras de seguridad», explica Schützhold. Concretamente, el plan consiste en colocar electrodos metálicos estrechos sobre una capa aislante situada por encima o por debajo del grafeno. Al aplicar tensiones a los electrodos se crean barreras de potencial en el grafeno. Lo más importante es que un campo magnético aplicado perpendicularmente al plano del grafeno hace que los electrones y los huecos sigan trayectorias circulares en direcciones opuestas. Junto con las barreras de potencial, esto produce un movimiento dirigido: un electrón traza un arco, se refleja en la barrera y continúa por otro arco. Una barrera de potencial negativa refleja los electrones y deja pasar los huecos, mientras que una barrera positiva tiene el efecto contrario. De esta forma, los electrones y los huecos son guiados hacia contactos opuestos.
En su estudio, el equipo calculó las condiciones en las que este mecanismo debería funcionar. Por ejemplo, las barreras deben ser lo suficientemente altas y anchas como para impedir que los electrones simplemente las atraviesen. La distancia entre los electrodos también debe adaptarse a las trayectorias circulares, cuyo tamaño depende tanto de la intensidad del campo magnético como de la energía de la luz absorbida. Una ventaja de este concepto es su flexibilidad. «Podemos ajustar la tensión en los electrodos», destaca Schützhold. Al modificar las tensiones o activar y desactivar electrodos individuales, debería ser posible adaptar el transporte de carga a diferentes energías lumínicas. Además, las matrices de electrodos podrían ampliar el concepto a superficies de grafeno más grandes sin necesidad de cortar ni doblar el material.
Perspectivas para la captación de luz infrarroja
A largo plazo, este enfoque podría resultar especialmente interesante para las células solares que utilizan radiación infrarroja. La ausencia de una banda prohibida ofrece aquí una oportunidad: a diferencia del silicio, el grafeno también puede absorber fotones infrarrojos cuya energía es demasiado baja para generar pares electrón-hueco en las células solares de silicio convencionales. Otras aplicaciones podrían incluir sensores para la luz visible o la radiación infrarroja. Del mismo modo, los electrodos podrían utilizarse para definir trayectorias variables para las cargas eléctricas, lo que abre nuevas perspectivas para la electrónica basada en el grafeno.
Una primera configuración experimental podría parecerse a un pequeño sándwich: una capa de grafeno entre capas aislantes transparentes, con finas tiras metálicas en la parte superior, a las que se aplican tensiones del orden de los voltios. Para convertir la radiación infrarroja en corriente eléctrica, la separación debería estar en el rango de los micrómetros. Según los cálculos del equipo, un campo magnético de alrededor de 0,1 tesla, que podría generarse mediante imanes permanentes, debería ser suficiente. La absorción de luz podría aumentarse apilando varias capas de grafeno separadas por capas aislantes transparentes y añadiendo espejos. La luz atravesaría las capas activas varias veces, lo que aumentaría las posibilidades de absorción. Los componentes necesarios están disponibles, y el HZDR tiene previsto realizar experimentos para montarlos y probarlos. Schützhold se muestra optimista: «Incluso con los bordes del grafeno, los experimentos confirmaron nuestra predicción teórica: la señal fue, de hecho, más intensa de lo esperado. Por eso espero que nuestro nuevo enfoque también funcione».
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