Descubren nueva propiedad del grafeno que podría llevar a paneles solares a un mejor rendimiento

RIVERSIDE, California. – Un equipo de investigación internacional, co-dirigido por un físico de la Universidad de California en Riverside, ha descubierto un nuevo mecanismo para la carga ultra eficiente y el flujo de energía en el grafeno, este abre oportunidades para desarrollar nuevos tipos de luz. Dispositivos de recolección.

Los investigadores fabricaron grafeno prístino (grafeno sin impurezas) en diferentes formas geométricas, conectando cintas estrechas y cruces a regiones rectangulares bien abiertas. Descubrieron que cuando la luz iluminaba áreas restringidas, como la región donde una cinta estrecha conectaba dos regiones amplias, detectaban una gran corriente inducida por la luz, o fotocorriente.

El descubrimiento de que el grafeno prístino puede convertir muy eficientemente la luz en electricidad podría llevar al desarrollo de fotodetectores ultrarrápidos y eficientes, y paneles solares potencialmente más eficientes.

El grafeno, una lámina de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuesta en una red hexagonal, tiene muchas propiedades de material deseables, como alta capacidad de transmisión de corriente y conductividad térmica. En principio, el grafeno puede absorber la luz en cualquier frecuencia, lo que lo convierte en un material ideal para la fotodetección infrarroja y de otro tipo, con amplias aplicaciones en la detección biológica, la imagen y la visión nocturna.

En la mayoría de los dispositivos de captación de energía solar, una fotocorriente surge solo en presencia de una unión entre dos materiales diferentes, como las uniones “pn”, el límite entre dos tipos de materiales semiconductores. La corriente eléctrica se genera en la región de unión y se mueve a través de las distintas regiones de los dos materiales.

“Pero en el grafeno, todo cambia”, dijo Nathaniel Gabor , profesor asociado de física en la UCR, quien fue uno de los líderes del proyecto de investigación. “Encontramos que las fotocorrientes pueden surgir en el grafeno prístino en una condición especial en la que toda la hoja de grafeno está completamente libre de exceso de carga electrónica. La generación de la fotocorriente no requiere uniones especiales y, en cambio, puede controlarse, sorprendentemente, simplemente cortando y moldeando “la hoja de grafeno en configuraciones inusuales, desde arreglos lineales de contactos en forma de escalera, a rectángulos estrechamente restringidos, hasta bordes afilados y escalonados”.

El grafeno prístino es completamente neutro en cuanto a carga, lo que significa que no hay exceso de carga electrónica en el material. Sin embargo, cuando se conecta a un dispositivo, se puede introducir una carga electrónica aplicando un voltaje a un metal cercano. Este voltaje puede inducir carga positiva, carga negativa, o equilibrar perfectamente las cargas negativas y positivas, por lo que la hoja de grafeno es perfectamente neutral en carga.

“El dispositivo de recolección de luz que fabricamos es tan grueso como un solo átomo”, dijo Gabor. “Podríamos utilizarlo para diseñar dispositivos que sean semitransparentes. Estos podrían integrarse en entornos inusuales, como las ventanas, o podrían combinarse con otros dispositivos de recolección de luz más convencionales para recolectar el exceso de energía que generalmente no se absorbe. En cuanto a cómo se cortan los bordes para dar forma, el dispositivo puede dar señales extraordinariamente diferentes “.

El equipo de investigación informa sobre esta primera observación de un mecanismo físico completamente nuevo, una fotocorriente generada en grafeno neutro a carga sin necesidad de uniones pn, en Nature Nanotechnology .

El trabajo previo realizado por el laboratorio de Gabor mostró una fotocorriente en los resultados de grafeno de portadores de carga “calientes” altamente excitados. Cuando la luz incide en el grafeno, los electrones de alta energía se relajan para formar una población de muchos electrones relativamente más fríos, explicó Gabor, que posteriormente se recolectan como corriente. Aunque el grafeno no es un semiconductor, esta población de electrones calientes inducida por la luz puede usarse para generar corrientes muy grandes.

“Todo este comportamiento se debe a la estructura electrónica única del grafeno”, dijo. “En este ‘material maravilloso’, la energía luminosa se convierte eficientemente en energía electrónica, que posteriormente puede ser transportada dentro del material en distancias notablemente largas”.

Explicó que, hace aproximadamente una década, se predijo que el grafeno prístino exhibiría un comportamiento electrónico muy inusual: los electrones deberían comportarse como un líquido, permitiendo que la energía se transfiera a través del medio electrónico en lugar de mover las cargas físicamente.

“Pero a pesar de esta predicción, hasta ahora no se habían realizado mediciones de fotocorriente en dispositivos de grafeno prístinos,” dijo.

El nuevo trabajo sobre el grafeno prístino muestra que la energía electrónica viaja grandes distancias en ausencia de un exceso de carga electrónica.

El equipo de investigación ha encontrado evidencia de que el nuevo mecanismo da como resultado una fotorrespuesta enormemente mejorada en el régimen infrarrojo con una velocidad de operación ultrarrápida.

“Planeamos estudiar más a fondo este efecto en una amplia gama de infrarrojos y otras frecuencias, y medir su velocidad de respuesta”, dijo el primer autor Qiong Ma, un asociado postdoctoral en física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, o MIT.

Gabor, quien llegó a la UCR desde el MIT en 2013, recibió el apoyo del Programa de Jóvenes Investigadores de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el premio CAREER de la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias. Recibió algo de apoyo a través de un Premio Cottrell Scholar, y del Instituto Canadiense de Investigación Avanzada Azrieli Global Scholar.

Todos los experimentos se realizaron mientras Gabor estaba en el MIT. El trabajo teórico se completó después de que se unió a la UCR. Gabor y Pablo Jarillo-Herrero del MIT son los autores principales del artículo de investigación.

Gabor, Ma y Jarillo-Herrero se unieron a la investigación realizada por Chun Hung Lui de la UCR y anteriormente del MIT, así como por científicos del MIT; Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur; Instituto de Computación de Alto Rendimiento, Singapur; UC Berkeley; y el Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales, Japón.

Fuente: https://eurekalert.org/pub_releases/2018-12/uoc–npr121418.php