Brevet FR2950482A1 — publié le 20110325

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 photovoltaïques, 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 photovoltaïques sont également connus, à base de polymères. 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. 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 graphene", 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. Wei, "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. 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 « Graphene made easy », Abhay Shukla et al, Solid State Communications 149 (2009), pp. 718-721. 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. 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. 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. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit et englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. REVENDICATIONS1. 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. 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.