Il grafene può generare elettricità dall'infrarosso: la nuova ricerca del Centro Helmholtz di Dresda

Un gruppo di ricercatori europei del Centro Helmholtz di Dresda-Rossendorf (HZDR) ha elaborato una nuova soluzione teorica per superare i limiti tecnici del grafene nella produzione di energia solare. Lo studio propone un metodo per trasformare questo materiale in una base efficiente per pannelli fotovoltaici capaci di catturare la luce infrarossa, una porzione dello spettro luminoso che le attuali celle al silicio non riescono a sfruttare a causa della bassa energia dei fotoni.

Il grafene è noto per la sua elevata capacità di assorbimento della luce e per l'altissima mobilità dei suoi elettroni, ma finora non è stato considerato adatto alla realizzazione di pannelli solari per via dell'elevata velocità di ricombinazione dei portatori di carica. Negli elementi a semiconduttore tradizionali, la presenza di una banda proibita (band gap) aiuta a separare le cariche elettriche; nel grafene, invece, l'assenza di tale zona energetica fa sì che elettroni e lacune si ricombinino quasi istantaneamente dopo aver assorbito l'energia del fotone, impedendo il flusso di corrente verso gli elettrodi.

La proposta dei ricercatori dell'HZDR prevede di intervenire esternamente per forzare la separazione delle cariche attraverso la combinazione di un campo magnetico e barriere di potenziale elettrico create artificialmente. Il sistema si basa sull'applicazione di un campo magnetico perpendicolare al piano del grafene, che induce elettroni e lacune a muoversi lungo traiettorie curve in direzioni opposte. Precedenti tentativi di gestire questo movimento prevedevano la manipolazione fisica del materiale tramite pieghe o tagli, una sorta di origami che tuttavia rendeva difficile la produzione su larga scala e aumentava il rischio di difetti strutturali.

La nuova configurazione prevede che il grafene sia racchiuso tra strati isolanti trasparenti di nitruro di boro, con uno spessore di circa 30 nanometri. Sopra o sotto questa struttura vengono posizionati sottili elettrodi metallici larghi 200 nanometri. Applicando una tensione di pochi volt a questi elettrodi, si creano zone con potenziale positivo o negativo che agiscono come barriere: quelle negative respingono gli elettroni lasciando passare le lacune, mentre quelle positive agiscono nel modo opposto. Questo meccanismo permette di convogliare i portatori di carica verso contatti elettrici differenti senza dover deformare il grafene.

Secondo i calcoli presentati, per fotoni infrarossi con un'energia di circa 0,1 elettronvolt, un campo magnetico di 0,1 Tesla determina un raggio di movimento delle cariche di circa un micrometro. Il sistema è inoltre adattabile: modificando la tensione e attivando o disattivando singoli elettrodi, la struttura può essere regolata per diverse energie luminose. Gli scienziati suggeriscono che l'applicazione di questa tecnologia non richieda necessariamente l'uso di elettricità per il magnetismo, poiché l'uso di magneti permanenti risulterebbe più economico ed efficace.

L'innovazione potrebbe trovare impiego non solo nel settore energetico, ma anche nello sviluppo di sensori ottici avanzati e nell'elettronica basata sul grafene. Per aumentare l'assorbimento della luce, i ricercatori propongono di sovrapporre più strati di grafene e di utilizzare specchi per riflettere la radiazione all'interno della struttura. Al momento lo studio rimane a un livello teorico basato su calcoli matematici, in attesa di passare alla fase di verifica sperimentale in laboratorio.