El físico Pablo Jarillo-Herrero (a la izquierda) con tres estudiantes graduados en su laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Crédito: Juliette Halsey para la naturaleza

El llamado súper material, el grafeno, se ha convertido en el foco de muchos descubrimientos científicos. Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad de Kansas ha desarrollado otra aplicación para este material versátil en forma de células solares.

Uso del grafeno en células solares

Los investigadores del Departamento de Física y Astronomía de la universidad han descubierto que el grafeno se puede usar para crear células solares ultra delgadas y flexibles que son muy eficientes al formarlas con una capa de diselenida de molibdeno (MoSe 2 ) y disulfuro de tungsteno (WS). 2 ). Cada capa tiene un átomo de espesor, lo que significa que es extremadamente delgada.

Se sabe que el grafeno tiene propiedades de alta carga de transporte por su cuenta, con los electrones viajan a velocidades de 1/30 th la velocidad de la luz. Esto lo convierte en una opción obvia para las células fotovoltaicas.

El profesor Hui Zhao, el investigador principal, declaró en un comunicado de la Universidad de Kansas que “estos electrones excitados son como los estudiantes que se levantan de sus asientos, después de una bebida energética, por ejemplo, que activa a los estudiantes como la luz solar activa los electrones. Los estudiantes energizados se mueven libremente en el aula, como la corriente eléctrica humana”.

Desafortunadamente, hay una gran razón por la cual el grafeno no se ha aplicado al mercado fotovoltaico. Esto se debe principalmente a la vida extremadamente corta de los electrones excitados en el grafeno, que es de aproximadamente un picosegundo.

Este es un tiempo muy corto y significa que aunque la excitación de la luz puede hacer que los electrones se muevan muy rápidamente a través del grafeno, no se mantienen excitados por mucho tiempo y esto dificulta la cantidad de electricidad que se puede generar.

La cantidad de electrones, o estudiantes de nuestro ejemplo, que pueden contribuir a la corriente está determinada por el tiempo promedio que pueden permanecer móviles después de que son liberados por la luz”, explica Zhao. “En el grafeno, un electrón permanece libre por solo un picosegundo. Esto es demasiado corto para acumular una gran cantidad de electrones móviles“.

Al agregar dos de las dos capas atómicas, la vida útil de los electrones excitados dentro del grafeno se extiende en más del 100 por ciento y, por lo tanto, permite que el material se utilice para generar energía limpia. El profesor Zhao, con la ayuda del estudiante graduado Samuel Lane, explicó que habían resuelto este problema de corta duración al quitar “las sillas de los estudiantes de pie para que no tuvieran dónde sentarse“. Esto obliga a los electrones a permanecer móviles durante un tiempo que es varios cientos de veces más largo que antes”.

En esencia, la capa de diselenuro de molibdeno y la capa de grafeno simulan dos aulas llenas de estudiantes sentados. El disulfuro de tungsteno se encuentra en medio y actúa como un pasillo que separa las aulas. Esto crea un material de tres capas, que cuando entra en contacto con la luz, excita los electrones en la primera capa de MoSe 2 .

Se les permite cruzar el pasillo de WS 2 para entrar en la otra habitación, que es de grafeno”, explica Zhao más adelante. “Sin embargo, el pasillo está cuidadosamente diseñado para que los electrones tengan que dejar sus asientos en MoSe 2 . Una vez en grafeno, no tienen más remedio que mantenerse móviles y, por lo tanto, contribuir a las corrientes eléctricas, porque sus asientos ya no están disponibles para ellos“.

Los investigadores realizaron una demostración de este concepto utilizando un pulso de láser ultra corto de 0,1 picosegundos. Esto excitó el electrón en la capa MoSe 2 y causó que se movieran. Poco después, una vez más usaron el pulso láser, esta vez para monitorear los electrones desplazados que se mueven a través del grafeno. El equipo descubrió que los electrones se movieron a través de la capa WS 2 en un promedio de 0.5 picosegundos. Además de esto, los electrones permanecieron excitados durante aproximadamente 400 picosegundos. Esta es una mejora notable en la vida útil de una sola capa de grafeno.

Conclusión

Zhoa cree que se deben realizar más estudios sobre los efectos de las diferentes capas de “pasillo”, pero el hecho de que estos experimentos iniciales muestren que los científicos pueden controlar el tiempo que los “asientos” levantados en la capa MoSe 2 permanecen desocupados es positivo. Se espera que esta investigación inspire otras investigaciones sobre la aplicación del grafeno en el mercado fotovoltaico, así como otros usos novedosos del material.

Bibliografía

Montalbano, E. (2018, 17 de agosto). Conductividad de grafeno mejorada para una mejor tecnología de generación de energía solar. Obtenido de Design News: https://www.designnews.com/materials-assembly/graphenes-conductivity-boosted-better-solar-energy-generating-technology/198575943859121