Des chercheurs du centre Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ont dévoilé le 29 octobre 2026 une approche combinant un champ magnétique et des tensions électriques pour séparer les porteurs de charge dans le graphène, ouvrant la voie à de nouvelles cellules solaires infrarouges plus efficaces selon une étude parue dans Physical Review Applied.
Le graphène fascine les physiciens depuis des années. Ce matériau d’une seule couche d’atomes de carbone laisse les électrons circuler avec une mobilité exceptionnelle, ce qui en fait un candidat de choix pour l’électronique ultra-rapide. Contrairement au silicium, ce matériau ne possède pas de bande interdite, ou gap, indispensable pour séparer les électrons de leurs charges positives résiduelles, appelées trous.
Des barrières de potentiel remplacent l’usinage du graphène
Quand le graphène absorbe des photons, il excite des porteurs de charge qui doivent impérativement être isolés et acheminés vers des contacts distincts pour produire un courant.
Jusqu’à présent, les équipes scientifiques envisageaient de découper ou de plier le matériau pour façonner des micro-bords capables de guider les électrons et les trous dans des directions opposées sous l’effet d’un champ magnétique. Mais cette méthode d’usinage s’avère complexe.
C’est précisément là que l’équipe du centre de recherche allemand innove. Au lieu d’un bord, nous proposons d’utiliser des tensions électriques, en générant des barrières de potentiel comme des rails de guidage
, explique le professeur Ralf Schützhold, directeur de l’Institut de physique théorique au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Concrètement, les chercheurs prévoient de déposer de fines électrodes métalliques sur une couche isolante placée au-dessus ou en dessous du graphène.
Un champ magnétique de 0,1 tesla orchestre le transport des charges
Le dispositif repose sur une mécanique précise. Un champ magnétique perpendiculaire à la feuille de graphène force les électrons et les trous à suivre des trajectoires circulaires. Lorsqu’ils rencontrent les barrières créées par les électrodes sous tension, un tri s’opère : une barrière négative réfléchit les électrons tout en laissant passer les trous, tandis qu’une barrière positive produit l’effet inverse.
Les calculs théoriques menés par l’équipe indiquent qu’un champ magnétique d’environ 0,1 tesla, facilement atteignable avec des aimants permanents, suffit pour faire fonctionner le système.
Nous pouvons ajuster la tension au niveau des électrodes
, souligne Ralf Schützhold. En modifiant ces tensions ou en activant sélectivement les électrodes, il devient possible d’adapter le transport des charges à différentes énergies lumineuses sans toucher à la structure physique du graphène.
Le captage de l’infrarouge prépare les prochaines étapes expérimentales
À terme, cette configuration pourrait s’avérer précieuse pour capter les rayonnements infrarouges. L’absence de bande interdite permet au graphène d’absorber des photons infrarouges dont l’énergie s’avère trop faible pour exciter des paires électron-trou dans les cellules en silicium traditionnelles. Pour maximiser cette absorption, le laboratoire imagine superposer plusieurs couches de graphène séparées par des isolants transparents et complétées par des miroirs.
Les composants nécessaires existent déjà sur étagère, et l’institution prépare de nouvelles phases de tests en laboratoire. Forts de précédents travaux sur les bords en graphène où les signaux mesurés s’étaient révélés supérieurs aux prévisions, les physiciens entendent bien valider cette architecture inédite par l’expérimentation.
Nous voulons voir si ces barrières de potentiel se comportent en pratique exactement comme le prédit la théorie
, conclut l’équipe du projet.