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La combinación de campos magnéticos y barreras de potencial eléctricas permitiría separar los electrones y los huecos generados por la luz, abriendo nuevas posibilidades para células solares, sensores y dispositivos electrónicos.
Copyright: B. Schröder/HZDR
El grafeno continúa despertando interés como material para el desarrollo de nuevas tecnologías electrónicas gracias a su estructura de una sola capa de átomos de carbono y a la elevada movilidad de sus electrones.
Sin embargo, su aplicación en dispositivos fotovoltaicos presenta una limitación importante: su capacidad para transformar la luz absorbida en corriente eléctrica es reducida, debido a la dificultad para separar y dirigir los portadores de carga generados.
En este sentido, un grupo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han propuesto un nuevo mecanismo para superar este obstáculo. El concepto combina un campo magnético con tensiones eléctricas controladas para conducir en direcciones opuestas los electrones y los huecos que aparecen cuando el grafeno absorbe luz.
El estudio, publicado en la revista Physical Review Applied, plantea una alternativa a los métodos basados en la modificación física de los bordes del material. Según el equipo, esta estrategia podría facilitar el desarrollo de dispositivos de mayor superficie y ampliar las aplicaciones del grafeno en la captación de energía y la detección de radiación.
A diferencia de semiconductores como el silicio, el grafeno no presenta una banda prohibida, una propiedad que desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de las células solares convencionales. Cuando absorbe luz, se generan electrones y huecos, pero ambos deben separarse y dirigirse hacia contactos diferentes para que la energía pueda aprovecharse eléctricamente.
Una de las alternativas estudiadas hasta ahora consiste en cortar o doblar el grafeno para crear pequeños bordes. Al aplicar un campo magnético, los portadores de carga describen trayectorias curvas y los bordes permiten guiarlos en direcciones opuestas. Sin embargo, la fabricación de estos bordes plantea dificultades y limita la posibilidad de ampliar el sistema a superficies mayores.
El equipo dirigido por el profesor Ralf Schützhold, director del Instituto de Física Teórica del HZDR, propone sustituir esos bordes por barreras de potencial generadas eléctricamente. Para ello, plantea colocar electrodos metálicos estrechos sobre una capa aislante situada por encima o por debajo del grafeno.
Al aplicar diferentes tensiones a los electrodos se crean barreras que interactúan con las trayectorias de los portadores de carga. Un campo magnético perpendicular al plano del grafeno hace que electrones y huecos sigan recorridos circulares en sentidos opuestos.
Las barreras eléctricas permiten entonces reflejar selectivamente unos u otros: una barrera de potencial negativa refleja los electrones y deja pasar los huecos, mientras que una positiva produce el efecto contrario.
De esta manera, ambos tipos de portadores pueden conducirse hacia contactos separados, favoreciendo su aprovechamiento eléctrico.
El estudio analiza las condiciones necesarias para que el mecanismo funcione. Las barreras deben presentar una altura y una anchura suficientes para impedir que los electrones las atraviesen, mientras que la distancia entre electrodos debe ajustarse al tamaño de las trayectorias circulares.
Este último parámetro depende tanto de la intensidad del campo magnético como de la energía de la luz absorbida. Una de las ventajas del planteamiento es su flexibilidad, ya que la tensión aplicada a los electrodos puede modificarse para adaptar el transporte de carga a diferentes energías lumínicas. También se contempla activar o desactivar electrodos individuales y utilizar matrices de estos componentes para extender el sistema a superficies de grafeno mayores, sin necesidad de cortar ni doblar el material.
Una de las aplicaciones que el equipo considera especialmente interesantes es el desarrollo de células solares capaces de aprovechar la radiación infrarroja. Al no disponer de banda prohibida, el grafeno puede absorber fotones infrarrojos con energías demasiado bajas para generar pares electrón-hueco en las células solares convencionales de silicio.
El concepto también podría aplicarse a sensores de luz visible e infrarroja y a nuevos dispositivos electrónicos basados en grafeno, en los que los electrodos permitirían definir y modificar las trayectorias de las cargas eléctricas.
Como posible configuración experimental, los investigadores plantean una estructura en forma de sándwich, con una capa de grafeno entre materiales aislantes transparentes y finas tiras metálicas a las que se aplicarían tensiones del orden de los voltios. Para convertir radiación infrarroja en corriente eléctrica, la separación entre electrodos debería situarse en el rango de los micrómetros. Según los cálculos, un campo magnético de aproximadamente 0,1 tesla, que podría generarse mediante imanes permanentes, sería suficiente.
La absorción de luz podría incrementarse apilando varias capas de grafeno separadas por aislantes transparentes e incorporando espejos que permitan que la radiación atraviese varias veces las capas activas.
El HZDR prevé realizar experimentos para construir y probar esta configuración. Por el momento, el trabajo presenta un concepto respaldado por cálculos teóricos, cuya viabilidad deberá confirmarse experimentalmente. El equipo confía en sus posibilidades a partir de resultados anteriores obtenidos con estructuras de bordes de grafeno, en las que las señales experimentales fueron incluso más intensas de lo previsto.
Fuente: Physical Review Applied. DOI: 10.1103/k1y8-vr4y.
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