محققان دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی موفق به طراحی و ساخت آشکارساز امواج فروسرخ (IR) و تراهرتز (THz) بر پایه دیود شاتکی گرافین- سیلیکون شدند و با پذیرش طرح در برنامه نانو مچ ستاد توسعه فناوری نانو این طرح در مسیر تجاری‌سازی قرار گرفته است.

به گزارش خبرنگار ایسنا، در این طرح سلول خورشیدی و آشکارساز مادون قرمز بر پایه گرافین، اولین ماده دو بعدی و نانومتری پایداری که در سال 2004 میلادی کشف شده است، ارائه می‌شود. به دلیل بهره‌مندی از خواص ممتاز و منحصر به فرد گرافین همچون شفافیت بالا و امکان تولید زوج الکترون –حفره در آن و همچنین طراحی متمایز، این قطعات عملکرد بهتر در مقایسه با قطعات مشابه دارند.

در یک سلول خورشیدی و یا یک آشکارساز از مواد جاذب نور که با قرار گرفتن در معرض تابش، زوج الکترون-حفره تولید می‌کنند، استفاده می‌شود. برای ایجاد جریان خارجی در بار، حامل‌ها (زوج  الکترون- حفره) باید از هم تفکیک شوند. این تفکیک از طریق میدان الکتریکی داخلی ایجادشده توسط قطعه صورت می‌پذیرد.

در میان ساختارهای بررسی‌شده برای طراحی این گونه قطعات، ساختار بر پایه اتصال شاتکی که از جمله ساختارهای پذیرفته‌شده برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسته و یا آشکار سازی امواج است، در مقایسه با سایر ساختارها از محاسنی چون عمومیت مواد مورد استفاده، هزینه کم و فرآیند ساخت آسان برخوردار است.

از این رو در میان سلول‌های خورشیدی و یا آشکارسازهای مادون قرمز بر پایه اتصال شاتکی، اتصال شاتکی گرافین و سیلیکون در سال‌های اخیر به طور گسترده‌ای از سوی محققان و پژوهشگران مورد استقبال قرار گرفت؛ چراکه از این طریق می‌توان از خصوصیات ممتاز سیلیکون و گرافین به طور همزمان بهره برد.

در یک سلول خورشیدی با این ساختار با توجه به شفافیت بالای گرافین، نور خورشید به آسانی به داخل آن نفوذ کرده و به سد شاتکی می‌رسد. زوج‌های الکترون-حفره تولیدشده در سیلیکون در اثر میدان الکتریکی داخلی از هم تفکیک شده و توسط الکترودها جمع‌آوری می‌شوند.

از سوی دیگر به دلیل صفر بودن شکاف باند گرافین، تولید زوج الکترون- حفره در این ماده نیز صورت می‌پذیرد. در این طرح با بهینه‌سازی فلز کاری کانتکت روی قطعه، امکان جمع‌آوری زوج‌های الکترون- حفره در گرافین فراهم شده که از طریق جریان خارجی بازدهی سلول افزایش یافته است.

در آشکارساز مادون قرمز طراحی شده نیز به دلیل جذب گرافین در محدوده مادون قرمز نزدیک، امکان آشکارسازی این ناحیه از طیف در دمای اتاق فراهم شده است.

برای ساخت این قطعات سنتز گرافین به 3 روش شیمیایی، ورقه کردن مکانیکی و CVD صورت پذیرفته است؛ اما در نهایت سنتز گرافین به روش شیمیایی که فرآیندی بسیار آسان و بدون نیاز به تجهیزات و ملاحظات خاص است، برای ساخت قطعات انتخاب شد.

بنابراین علاوه بر انتخاب ساختار شاتکی برای طراحی ساختار قطعات که منجر به کاهش هزینه ساخت می‌شود، این روش سنتز منجر به تولید گرافین با هزینه کم و به مقدار زیاد خواهد شد که در کاهش هزینه تمام شده طرح بسیار موثر است.

این محققان همچنین برای مقایسه بهتر قطعه ساخته شده با نمونه ساده (سیلیکون بدون گرافین) نمونه مشابهی ساختند. نمونه مشابه نسبت به امواج مادون قرمز پاسخ نشان نمی‌دهد. سلول خورشیدی ساخته شده بر پایه گرافین نسبت به نمونه بدون گرافین ولتاژ مدار بار و جریان اتصال کوتاهی در حدود 3 برابر تولید می‌کند.

سلول‌های خورشیدی بر پایه سیلیکون و آشکارسازهای امواج مادون قرمز از مرایایی چون تبدیل نور خورشید به الکتریسیته با بازدهی بالا، آشکارسازی امواج مادون قرمز در دمای اتاق، هزینه ساخت کم و فرآیند ساخت آسان برخوردار هستند.

از این سلول ساخته‌شده می‌توان در ساخت سلول‌های خورشیدی، آشکارسازی نور مادون قرمز در دمای اتاق، سنسور آتش یا شعله، شمارش در خط تولید و دوربین‌های دید در شب و یا حسگرهای تشخیص حرکت بدن استفاده کرد.

این طرح از سوی مینا امیر مزلقانی از دانش‌آموختگان دوره دکتری رشته برق و الکترونیک دانشگاه خواجه نصیر اجرایی شده و با توجه به دستاوردهای این تحقیق، در برنامه نانو مچ ستاد توسعه فناوری نانو برای تجاری‌سازی مورد حمایت قرار گرفته است.