WO2011032726A1 - Procede pour generer une difference de potentiel a l'aide d'une couche mince de graphene, et dispositifs faisant application - Google Patents

Procede pour generer une difference de potentiel a l'aide d'une couche mince de graphene, et dispositifs faisant application Download PDF

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WO2011032726A1
WO2011032726A1 PCT/EP2010/005746 EP2010005746W WO2011032726A1 WO 2011032726 A1 WO2011032726 A1 WO 2011032726A1 EP 2010005746 W EP2010005746 W EP 2010005746W WO 2011032726 A1 WO2011032726 A1 WO 2011032726A1
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graphene
potential difference
terminals
infrared
radiation
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PCT/EP2010/005746
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Inventor
Gilgueng Hwang
Dogan Sinan Haliyo
Stéphane Regnier
Juan Camilo Acosta Mejia
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Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.)
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a potential difference using a graphene thin film, as well as to application devices.
  • Photovoltaic devices including cells usually made of semiconductor, 'primarily based on silicon and, more rarely, other semiconductors such as copper indium selenide and telluride or cadmium.
  • the device comprises a doped layer P covered with an N doped layer, and the illumination of the layers by electromagnetic radiation in the visible causes the appearance of a potential difference between terminals respectively connected to each of the layers.
  • photovoltaic devices are also known, based on polymers.
  • Document WO2008 / 112639 also discloses the use of graphene nanoribbons for producing photovoltaic cells, in particular by lithographic means.
  • lithography may lead to a contamination of graphite and change the intrinsic properties.
  • the cells described include numerous semiconductor nanorube banks made from graphene selected to have a nonmetallic molecular structure.
  • Semiconductor nanostrips in combination with separate output (or Fermi levels) brought by the metal contacts commonly used in photovoltaic cells, create the bandgap necessary for the onset of voltage in response to the lighting of the cell.
  • Such nanoribbons of a width of a few nanometers are very expensive to produce.
  • their small surface area reduces the area of radiation absorption.
  • their stack and their geometry affect the transparency of the active element.
  • the object of the invention is to propose a new method for generating a potential difference by means of graphene.
  • a method for producing an electrical potential difference between two terminals comprising the step of illuminating by means of an electromagnetic radiation radiating at least in the infrared a thin layer of graphene. electrically connected to said terminals so that the infrared illumination generates in graphene a bandgap capable of creating a photovoltaic effect to produce an electric potential difference between the terminals.
  • bandgap used here is of course to be understood as designating the bandgap height.
  • the thin layer of graphene (typically one or several atomic thicknesses) is thus used directly as an active element generating a potential difference.
  • This process can be implemented inexpensively, and does not require a controlled atmosphere (no need for a clean room).
  • This process reminiscent of anodic bonding, must be distinguished from epitaxy on a silicon carbon substrate.
  • This sample comprises one or a few monatomic layers. Two tungsten tip probes are approached until graphene is contacted. The probes act as electrical terminals. Then the sample is illuminated by means of a laser radiating in the infrared. A potential difference between the two probes is then measured, which depends on the intensity of the radiation and the illuminated surface. If we connect the probes to an electrical circuit, we notice the flow of an electric current.
  • the infrared lighting which creates in graphene the bandgap necessary for the appearance of the photovoltaic phenomenon.
  • the molecular structure of the nanotubes must be selected so as to retain only semiconductor nanotubes intrinsically presenting this bandgap, and then to be connected to at least one metal contact whose work of output (or Fermi levels) is different nanoribbons and the second metal contact.
  • the method of the invention is then likely to be implemented in various applications, exploiting the variation of electrical characteristics of graphene, and in particular its apparent electrical conductivity, when illuminated by infrared electromagnetic radiation.
  • an infrared sensor is produced by inserting such a graphene sample into an electrical circuit so as to produce an electrical signal whose characteristic (voltage, intensity) depends directly on the amount of infrared radiation striking the graphene sample. .
  • This exploits the apparent electrical conductivity variation of graphene caused by its illumination by infrared radiation. The variations of the electrical signal can then be exploited to control various devices. It is thus possible to produce infrared receivers, for example for remote controls.
  • a support is covered with a thin layer of graphene, and electrical terminals (or electrodes) are advantageously produced by local spraying of ink charged with metal particles, for example gold, into two zones of the metal. graphene sample. It is then sufficient to connect these terminals to an electrical circuit for circulating a current whose characteristics depend on the apparent electrical conductivity of the graphene sample, itself depending on the amount of infrared radiation that the graphene sample receives .
  • the metal contacts thus produced are intended only to allow the flow of current. They have nothing to do with metal contacts in known devices with separate output (or Fermi levels) whose function is to create the bandgap required for the photovoltaic effect.
  • the metal contacts of the invention can be exactly the same.
  • a support capable of being heated by a heat source of a graphene thin film is coated and the potential difference is collected at terminals connected to the thin layer in response to an exposure of the element infrared radiation emitted by the heat source.
  • a photovoltaic cell is covered with a thin layer of graphene, to make it sensitive to infrared radiation and thus increase the potential for producing electricity from the photovoltaic cell.
  • the graphene layer is electrically connected to the rest of the cell so that the potential difference generated by the graphene layer in response to its illumination by the infrared portion of the radiation is added to the potential difference generated by the cell photovoltaic itself in response to its illumination by the visible part of the radiation.
  • the yield of conventional photovoltaic cells is very easily increased.
  • graphene can itself serve as the electrode of the photovoltaic cell, which further increases the interest of its use in photovoltaic devices.
  • the number of atomic layers composing a graphene sample is identified by illuminating a given area of the graphene sample with infrared radiation to generate an induced potential difference.
  • Graphene's responsivity is then quantified, ie the number of volts generated per watt of power delivered by the laser, which depends on the number of atomic layers constituting the sample at the location subjected to the infrared radiation.
  • the sample is subjected to the impact of infrared laser radiation targeted on the region of the sample to be explored, and measurements are measured at the terminals of the sample. changes in the potential difference resulting from this lighting.
  • the terminals are advantageously materialized by the tips of two metal probes approximated in contact with the graphene sample.
  • the responsivity depends directly on the thickness of the sample at the illuminated place, and therefore on the number of monoatomic layers, which it is therefore easy to determine.

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Abstract

L'invention est relative à un procédé pour produire une différence de potentiel électrique entre deux bornes, comprenant l'étape d'éclairer, au moyen d'un rayonnement électromagnétique rayonnant au moins dans l'infrarouge, une couche mince de graphène électriquement reliée aux dites bornes.

Description

Procédé pour générer une différence de potentiel à l'aide d'une couche mince de graphène, et
dispositifs faisant application
L' invention est relative à un procédé pour générer une différence de potentiel à l'aide d'une couche mince de graphène, ainsi qu'à des dispositifs faisant application.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
On connaît des dispositifs photovoltaiques, notamment des cellules généralement constituées de semi-conducteurs,' principalement à base de silicium et plus rarement d'autres semi-conducteurs, tels que le sélénure de cuivre et d'indium ou le tellurure de cadmium. Le dispositif comporte une couche dopée P recouverte d'une couche dopée N, et l'éclairage des couches par un rayonnement électromagnétique dans le visible provoque l'apparition d'une différence de potentiel entre des bornes reliées respectivement à chacune des couches.
D'autres dispositifs photovoltaiques sont également connus, à base de polymères.
On connaît également du document WO2008/112639 l'utilisation de nanorubans de graphène pour réaliser des cellules photovoltaiques, en particulier par voie lithographique. Cependant la lithographie risque de conduire à une contamination du graphite et en changer les propriétés intrinsèques. Les cellules décrites comprennent de nombreuses piles de nanorubans semi-conducteurs réalisés à partir de graphène sélectionné pour présenter une structure moléculaire de type non métallique. Les nanorubans semi-conducteurs, en association avec les travaux de sortie (ou niveaux de Fermi) distincts amenés par les contacts métalliques habituellement utilisés dans les cellules photovoltaiques, créent le bandgap nécessaire à l'apparition d'une tension en réponse à l'éclairage de la cellule. De tels nanorubans, d'une largeur de quelques nanomètres sont très onéreux à produire. Par ailleurs, leur faible surface réduit l'aire d'absorption de rayonnement. Enfin, leur empilement et leur géométrie affectent la transparence de l'élément actif.
OBJET DE L' INVENTION
L'invention a pour objet de proposer un nouveau procédé de génération d'une différence de potentiel au moyen de graphène .
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé pour produire une différence de potentiel électrique entre deux bornes, comprenant l'étape d'éclairer au moyen d'un rayonnement électromagnétique rayonnant au moins dans l'infrarouge une couche mince de graphène électriquement reliée auxdites bornes de sorte que l'éclairage infrarouge génère dans le graphène un bandgap propre à créer un effet photovoltaïque pour produire une différence de potentiel électrique entre les bornes.
Le terme bandgap utilisé ici est bien sûr à comprendre comme désignant la hauteur de bande interdite .
La couche mince de graphène (typiquement une ou quelques épaisseurs atomiques) est ainsi utilisée directement comme un élément actif générant une différence de potentiel.
On notera que l'utilisation de graphène dans les dispositifs photovoltaïques a déjà été envisagée, comme dans T. Oka, H. Aoki, "Photovoltaic hall effect in graphène", Physical Review B, Vol. 79, pp. 81406, 2009, ou dans Q. Liu, Z. Liu, X. Zhang, L. Yang, N. Zhang, G. Pan, S. Yin, Y. Chen, J. ei, "Polymer photovoltaic cells based on solution-processable graphene and P3HT", Advanced Functional Materials, Vol. 19, pp. 894-904, 2009. Cependant, dans ces publications, le graphène n'est utilisé que comme conducteur électrique ou comme support, mais n'est pas exploité comme l'élément actif du dispositif photovoltaïque .
Le document ZHU H & al « Application of carbon materials in photovoltaic solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells, ELSEVIER, Amsterdam, 1 septembre 2009 », p.1461-1470, évoque quant à lui l'utilisation de graphite comme élément actif d'une cellule solaire, sous la forme de nanotube, ou encore de nanoruban. Cependant, ce document n'évoque pas la possibilité d'utiliser des couches minces de graphène éclairées dans l'infrarouge, qui constitue le cœur dans la présente invention. En effet, les inventeurs ont découvert que l'éclairage de telles couches minces de graphène dans l'infrarouge permet, de façon répétée, de générer le bandgap nécessaire à de telles applications. Ainsi, le bandgap est généré par l'éclairage infrarouge lui-même, sans être prévu de construction dans le matériau de l'élément actif de la cellule.
Comme on le verra plus loin, la fabrication de couches minces de graphène ne nécessite pas de salle blanche. Les couches minces sont nettement plus faciles à fabriquer et peuvent donc conduire à des cellules de surface appréciables sur lesquelles les connexions électriques sont simplement obtenues à l'aide de contacts métalliques quelconques, qui peuvent être identiques.
DESCRIPTION DE QUELQUES APPLICATIONS DE L'INVENTION Les inventeurs ont en effet constaté que l'éclairage d'un échantillon de graphène par une source infrarouge donne lieu à l'apparition d'une différence de potentiel entre deux bornes auxquelles l'échantillon de graphène est électriquement relié. En pratique, cet effet peut être constaté simplement par l'expérience suivante. Un échantillon de graphène en couche mince est préparé et fixé sur un substrat borosillicaté, selon par exemple le procédé décrit dans « Graphène made easy », Abhay Shukla et al, Solid State Communications 149 (2009) , pp. 718- 721. Ce procédé est très simple, et conduit à des échantillons très purs, non altérés, et de surface appréciable. Ce procédé peut être mis en œuvre de façon peu onéreuse, et ne nécessite pas d'atmosphère contrôlée (pas besoin de salle blanche) . Ce procédé, rappelant le collage anodique, doit être distingué de l'épitaxie sur un substrat en carbone de silicium. Cet échantillon comporte une ou quelques couches monoatomiques. On approche deux sondes à extrémités en tungstène jusqu'au contact du graphène. Les sondes font office de bornes électriques. Puis l'échantillon est éclairé au moyen d'un laser rayonnant dans l'infrarouge. On mesure alors une différence de potentiel entre les deux sondes qui dépend de l'intensité du rayonnement et de la surface éclairée. Si on connecte les sondes à un circuit électrique, on constate la circulation d'un courant électrique.
On remarquera que dans l'invention, c'est l'éclairage infrarouge qui crée dans le graphène le bandgap nécessaire à l'apparition du phénomène photovoltaïque . Dans les cellules décrites dans le document WO2008/112639, au contraire, la structure moléculaire des nanotubes doit être sélectionnée pour ne retenir que des nanotubes semi-conducteurs présentant intrinsèquement ce bandgap, pour être ensuite reliés à au moins un contact métallique dont le travail de sortie (ou niveaux de Fermi) est différent des nanorubans et du deuxième contact métallique .
Le procédé de l'invention est alors susceptible d'être mis en œuvre dans diverses applications, exploitant la variation de caractéristiques électriques du graphène, et notamment sa conductivité électrique apparente, lors de son éclairage par un rayonnement électromagnétique infrarouge .
Dans une première application, on réalise un capteur infrarouge en insérant un tel échantillon de graphène dans un circuit électrique de façon à produire un signal électrique dont une caractéristique (tension, intensité) dépend directement de la quantité de rayonnement infrarouge frappant l'échantillon de graphène. On exploite ainsi la variation de conductivité électrique apparente du graphène causée par son éclairage par un rayonnement infrarouge. Les variations du signal électriques peuvent alors être exploitées pour commander des dispositifs variés. On peut ainsi réaliser des récepteurs infrarouges, par exemple pour des télécommandes .
A cet effet, on recouvre un support d'une couche mince de graphène, et des bornes électriques (ou électrodes) sont avantageusement réalisées par pulvérisation locale d' encre chargée de particules métalliques, par exemple de l'or, en deux zones de l'échantillon de graphène. Il suffit alors de relier ces bornes à un circuit électrique permettant de faire circuler un courant dont les caractéristiques dépendent de la conductivité électrique apparente de l'échantillon de graphène, elle-même dépendant de la quantité de rayonnement infrarouge que l'échantillon de graphène reçoit. On remarquera que les contacts métalliques ainsi réalisés n'ont pour but que de permettre la circulation du courant. Ils n'ont rien à voir avec les contacts métalliques dans les dispositifs connus présentant des travaux de sortie (ou niveaux de Fermi) distincts dont la fonction est de créer le bandgap nécessaire à l'effet photovoltaïque . Les contacts métalliques de l'invention peuvent tout à fait être identiques.
Dans une deuxième application, on revêt un support susceptible d'être chauffé par une source de chaleur d'une couche mince de graphène et on recueille la différence de potentiel à des bornes reliées à la couche mince en réponse à une exposition de l'élément aux rayonnements infrarouges émis par la source de chaleur. Ainsi, et selon cette application, on exploitera avantageusement des vitrages de bâtiments ou de véhicules revêtus au moins localement d'une couche de graphène permettant de générer de l'électricité sous l'effet de la chaleur rayonnée par le soleil sous forme infrarouge, ou par tout autre source de chaleur. La couche de graphène est mince et ne diminue que de manière infime la transparence du vitrage aux rayonnements visibles.
Dans une troisième application, on recouvre d'une couche mince de graphène une cellule photovoltaïque, pour rendre celle-ci sensible au rayonnement infrarouge et ainsi augmenter le potentiel de production d'électricité de la cellule photovoltaïque. A cet effet, la couche de graphène est électriquement reliée au reste de la cellule de sorte que la différence de potentiel générée par la couche de graphène en réponse à son éclairage par la partie infrarouge du rayonnement s'ajoute à la différence de potentiel générée par la cellule photovoltaique proprement dite en réponse à son éclairage par la partie visible du rayonnement. On augmente ainsi très facilement le rendement des cellules photovoltaïques classiques. En outre, le graphène peut lui-même servir d' électrode de la cellule photovoltaïque, ce qui en augmente encore l'intérêt de son utilisation dans les dispositifs photovoltaïques .
Dans une quatrième application, on identifie le nombre de couches atomiques composant un échantillon de graphène en éclairant une zone donnée de l'échantillon de graphène au moyen d'un rayonnement infrarouge pour générer une différence de potentiel induite. On quantifie alors la responsivité du graphène, c'est-à-dire le nombre de volts généré par watt de puissance délivrée par le laser, qui dépend du nombre de couches atomiques constituant l'échantillon à l'endroit soumis au rayonnement infrarouge. A cet effet, et selon un mode préféré de mise en œuvre, on soumet l'échantillon à l'impact d'un rayonnement laser infrarouge ciblé sur la région de l'échantillon à explorer, et on mesure aux bornes de l'échantillon les évolutions de la différence de potentiel résultant de cet éclairage. Les bornes sont avantageusement matérialisées par les pointes de deux sondes métalliques approchées au contact de l'échantillon de graphène. On en déduit la responsivité du graphène. La responsivité dépend directement de l'épaisseur de l'échantillon à l'endroit éclairé, et donc du nombre de couches monoatomiques, qu'il est donc simple de déterminer. Cette méthode est très simple à mettre en œuvre et remplace avantageusement l'identification de nombre de couches atomiques par spectroscopie Raman. 1/ invention η' est pas limitée à ce qui vient d' être décrit et englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour produire une différence de potentiel électrique entre deux bornes, comprenant l'étape d'éclairer, au moyen d'un rayonnement électromagnétique rayonnant au moins dans l'infrarouge, une couche mince de graphène électriquement reliée auxdites bornes de sorte que l'éclairage infrarouge génère dans le graphène un bandgap propre à créer un effet photovoltaïque pour produire une différence de potentiel électrique entre les bornes.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche mince de graphène est déposée sur un substrat transparent formant vitrage, de sorte à produire une différence de potentiel en réponse à l'éclairage du vitrage par le soleil.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche mince de graphène est déposée sur un élément photovoltaïque apte à générer une différence de potentiel en réponse à son éclairage par un rayonnement dans le visible, la couche mince de graphène et l'élément photovoltaïque étant reliés de sorte que la différence de potentiel générée par la couche mince de graphène en réponse à son éclairage par un rayonnement dans l'infrarouge s'ajoute à la différence de potentiel générée par l'élément photovoltaïque en réponse à son éclairage par un rayonnement dans le visible.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on relie les bornes à un circuit électrique pour générer un signal électrique ayant une caractéristique dépendant d'une intensité du rayonnement infrarouge auquel l'échantillon de graphène est soumis.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on quantifie la responsivité du graphène pour déterminer le nombre de couches monoatomiques dans la partie du graphène éclairée par le rayonnement infrarouge .
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ZHU H: "Solar Energy Materials and Solar Cells", 1 September 2009, ELSEVIER, article "Application of carbon materials in photovoltaic solar cells", pages: 1461 - 1470

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