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Un nuevo proceso para fabricar grafeno ultrafino abre la puerta a crear mejores células solares

Investigadores del MIT desarrollan un nuevo sistema para lograr electrodos de grafeno transparentes, con los que se podrían fabricar unos dispositivos para captar luz solar más ligeros y flexibles

15 JUN. 2020
8 minutos

Un equipo de investigadores del MIT han creado una nueva forma de hacer grandes láminas de grafeno de alta calidad y ultrafino , con lo que se podría construir una nueva generación de "células solares ultraligeras y flexibles" para desarrollar nuevos dispositivos emisores de luz como para otros aparatos electrónicos que captan o cosechan esa luz.

Este nuevo proceso de fabricación, que debería ser "fácilmente escalable", incluye una capa de material intermedia para "amortiguar", de modo que la lámina ultrafina de grafeno (menos de un nanómetro de grosor) pueda desprenderse sin complicaciones de su sustrato y, así, permitir un rápida fabricación "rollo a rollo", según se explica en el artículo publicado en Advanced Functional Materials por los postdoctorados del MIT Giovanni Azzellino y Mahdi Tavakoli; los profesores Jing Kong, Tomas Palacios y Markus Buehler, entre otros autores.

"Encontrar una manera de fabricar electrodos delgados, de gran superficie y transparentes, que, además, sean estables al aire libre ha sido una importante búsqueda en la electrónica en los últimos años", con el objetivo de aplicarlos en una gran variedad de dispositivos optoelectrónicos, bien sea por emitir luz  (pantallas de ordenador o de móviles) o bien porquela cosechan, como las células solares. El estándar actual para tales aplicaciones es el óxido de indio y estaño (ITO), "un material basado en elementos químicos raros y caros".

Muchos grupos de investigación han trabajado en la búsqueda de un sustituto para el ITO, centrándose tanto en materiales orgánicos como en inorgánicos. "El grafeno, una forma de carbono puro cuyos átomos están dispuestos en un conjunto hexagonal plano, tiene propiedades eléctricas y mecánicas extremadamente buenas, y sin embargo es muy delgado, físicamente flexible y está hecho de un material abundante y barato".

Sin embargo, recuerdan los investigadores, a la hora de aplicarlo en dispositivos, "ha resultado difícil de encontrar las formas de liberar el grafeno cultivado mediante deposición química de vapor (CVD por sus siglas en inglés) de su sustrato de cobre nativo". Esta liberación, conocida como proceso de transferencia de grafeno, tiende a dar lugar a "desgarros, arrugas y defectos en las láminas, lo que interrumpe la continuidad de la película y, por tanto, reduce drásticamente su conductividad eléctrica".

Con este nuevo proceso de fabricación, puntualiza Azzellino, "ahora somos capaces de fabricar, de forma fiable, láminas de grafeno de gran superficie, transferirlas a cualquier sustrato que queramos, y la forma en que las transferimos no afecta a las propiedades eléctricas y mecánicas del prístino grafeno". La clave es la nueva capa de amortiguación, hecha de un material polímero llamado parileno, que se ajusta a nivel ultrafino a las hojas de grafeno sobre las que se despliega. 

Demostraciones

Como demostración de esta tecnología, el equipo hizo células solares como prueba de concepto, adoptando un material de célula solar polimérica de película delgada, junto con la capa de grafeno recién formada para uno de los dos electrodos de la célula, y una capa de parileno que también sirve como sustrato del dispositivo.

Este prototipo de célula solar basada en grafeno mejora aproximadamente 36 veces la potencia suministrada por peso, en comparación con los dispositivos de última generación basados en ITO. También utiliza 1/200 de la cantidad de material por unidad de área para el electrodo transparente. Y, hay otra ventaja fundamental en comparación: "El grafeno es casi gratis", dice Azzellino.

"Los dispositivos ultraligeros basados en grafeno pueden allanar el camino a una nueva generación de aplicaciones", dice. "Así que si piensas en los dispositivos portátiles, la potencia por peso se convierte en una ventaja muy importante. ¿Y si pudiéramos desplegar una célula solar transparente en una tableta que sea capaz de alimentar la propia tableta?" Aunque se necesitaría algún desarrollo adicional, como que las aplicaciones deberían ser factibles en última instancia con este nuevo método, admite el investigador.

El material de amortiguación, el parileno, se utiliza ampliamente en la industria microelectrónica, generalmente para encapsular y proteger dispositivos electrónicos. Por lo tanto, las cadenas de suministro y el equipo para utilizar el material ya están muy extendidos, subraya Azzellino. De los tres tipos de parileno existentes, las pruebas mostraron que uno de ellos, el que contiene más átomos de cloro, era el más efectivo para esta aplicación.

El equipo de investigación también incluía a Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao y Jingjie Yeo, todos en el MIT. El trabajo fue apoyado por Eni SpA a través de la Iniciativa Energética del MIT, la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos a través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados, y la Oficina de Investigación Naval.