El grafeno podría ayudar a crear células solares “perfectas”

Un nuevo dispositivo que combina el grafeno con nanoestructuras metálicas especiales podría llevar a la fabricación de mejores células solares y sistemas de comunicaciones ópticas. Esto, al menos, es lo que afirman investigadores del Reino Unido que han medido un aumento de 20 veces la cantidad de luz capturada por el grafeno cuando está cubierto por esas nanoestructuras. El trabajo proporciona evidencias adicionales de que el material podría ser ideal para la fabricación de dispositivos fotónicos y optoelectrónicos.

El grafeno es una lámina de átomos de carbono dispuestos en una retícula en forma de panal de un solo átomo de espesor. Desde su descubrimiento en 2004, este “material maravilloso” no ha dejado de sorprender a los científicos con una creciente y única lista de propiedades electrónicas y mecánicas. Algunos creen que el grafeno podría aplicarse en un número de aplicaciones tecnológicas tal que podría llegar a sustituir al silicio como material esencial en la industria electrónica. Esto se debe a que los electrones circulan a través de grafeno a velocidades extremadamente altas, comportándose como partículas sin masa en reposo (electrones Dirac).

El grafeno también se muestra como candidato eficaz para aplicaciones de fotónica; en especial comunicaciones ópticas, donde la velocidad es un problema. El material tiene una eficiencia cuántica interna ideal, porque casi cada fotón absorbido por el grafeno genera un par electrón-hueco que podría, en principio, convertirse en corriente eléctrica. Gracias a sus electrones de Dirac, también puede absorber luz de un color con una rápida respuesta. Lo anterior sugiere que podría ser utilizado para crear dispositivos mucho más rápidos que cualquier otro empleado en telecomunicaciones ópticas en la actualidad.

Los investigadores también han demostrado que pueden hacer células solares básicas, dispositivos emisores de luz, pantallas táctiles, fotodetectores y láseres de bloqueo ultrarrápidos de grafeno. Sin embargo, hay, por supuesto desventajas: su “eficiencia cuántica externa” es baja; lo que implica que absorbe menos del 3% de la luz que incide sobre él. Por otra parte, la corriente eléctrica útil sólo puede extraerse de dispositivos basados ​​en grafeno que temgan contactos eléctricos con una asimetría optimizada, algo que ha demostrado ser difícil de lograrse.

Ahora, investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Manchester podría haber resuelto ambos problemas utilizando nanoestructuras de grafeno plasmónica. Estos son dispositivos metálicos que aumentan los campos electromagnéticos locales de un material mediante el acoplamiento de la luz que entra, con los electrones en la superficie del metal. Las nanoestructuras se fabrican en la parte superior de las muestras de grafeno para concentrar el campo electromagnético en la región de la materia donde la luz es convertida en corriente eléctrica, con el fin de aumentar el fotovoltaje generado.

El equipo, que incluye a André Manchester Geim y Kostya Novoselov, ganadores del Premio Nobel de Física 2010 por su descubrimiento del grafeno, comenzó con la preparación de muestras de grafeno con el ahora famoso método “cinta adhesiva”. Esto implica el limado mecánico de una sola capa de grafeno a partir de un bloque de grafito. Luego, los investigadores hacen dos terminales de dispositivos electrónicos a partir del material por los contactos de la formación de titanio y el oro en el grafeno utilizando un haz de electrones de litografía. Las nanoestructuras plasmónica se unieron cerca de los contactos.

Los nuevos dispositivos tienen una eficiencia cuántica externa de casi el 50%, el valor más alto hasta la fecha para el grafeno, dice el miembro del equipo Alexander Grigorenko de Manchester. Esto aumenta la capacidad captadora de luz de grafeno por más de un orden de magnitud en comparación, sin sacrificar su velocidad. “Si las nanoestructuras plasmónica que hemos empleado han sido optimizadas, debería ser posible la conversión perfecta de luz  a corriente, que convierta cada fotón que incida sobre la célula. Esto es exactamente lo que la industria de células solares está esperando.”

Además, el problema de la creación de contactos con la deseada asimetría se aborda mediante el uso de titanio y oro en el dispositivo.

“Nuestro trabajo es el primer paso hacia la fotodetectores y células solares perfectas, porque hemos demostrado que convierte la luz en electricidad con una eficiencia ideal”, dice Andrea Ferrari, quien encabezó el esfuerzo de Cambridge en la colaboración. ”La optimización de la interacción entre la luz y la generación de fotovoltaje en el grafeno será la clave para una amplia gama de aplicaciones, tales como células solares, imagen y telecomunicaciones.”

“El grafeno podría ser una alternativa viable a materiales convencionales de plasmónica y nanofotónicos, porque tiene muchas ventajas sobre estos materiales. Puede absorber la luz en cualquier longitud de onda en el espectro electromagnético desde el ultravioleta hasta longitudes de onda visibles e incluyendo el infrarrojo lejano, y puede limitar esta luz en pequeñas cantidades sin precedentes. La abundancia de portadores de carga en el grafeno y el hecho de que los investigadores pueden ahora producir el material en grandes cantidades y en grandes áreas significa que podría superar a todas las tecnologías de semiconductores existentes en aplicaciones tan diversas como fotodetectores, láseres ultrarrápidos y de imagen ajustable”, afirma Ferrari.

“El grafeno parece un compañero natural de la plasmónica”, añade Grigorenko. “Esperábamos que las nanoestructuras plasmónica pudieran mejorar la eficiencia de los dispositivos basados ​​en el grafeno, pero no esperábamos que las mejoras fueran tan grandes.”

Alentados por sus nuevos resultados, el equipo  planea ahora estudiar cómo la luz interactúa con el grafeno con más detalle. Los investigadores también esperan optimizar sus nanoestructuras plasmónica, por ejemplo mediante la explotación de acoplados o  resonancias de plasmones en “cascada”, lo que podría mejorar aún más el fotovoltaje generado. “También podría ser capaz de aumentar la absorción de la luz aún más mediante el empleo de varias capas de grafeno, algo que podría conducir a una mejora de 100 veces en el fotovoltaje”, dice Ferrari.

El trabajo se publica en Nature                                

Autor: Belle Dumé

Enlace original: Graphene could make “perfect” solar cells