Una nueva célula solar de grafeno flexible desarrollada en MIT se ve en la región transparente en el centro de esta muestra. Alrededor de sus bordes están los contactos metálicos sobre los cuales pueden conectarse sondas durante las pruebas de funcionamiento del dispositivo.
Imagine un futuro en el que las células solares estén alrededor de nosotros: en ventanas y paredes, teléfonos celulares, computadoras portátiles y más. Una nueva célula solar flexible y transparente desarrollada en el MIT está acercando ese futuro un paso más.
El dispositivo combina materiales orgánicos (que contienen carbono) de bajo coste con electrodos de grafeno, un material flexible y transparente fabricado con fuentes de carbono baratas y abundantes. Este avance en tecnología solar fue posibilitado por un nuevo método de depositar una capa de grafeno de un átomo de grueso en la célula solar, sin dañar los materiales orgánicos sensibles cercanos. Hasta ahora, los reveladores de células solares transparentes han confiado típicamente en los electrodos caros, quebradizos que tienden para agrietarse cuando el dispositivo se dobla. La capacidad de utilizar grafeno en su lugar está haciendo posibles células solares transparentes, realmente flexibles y de bajo costo que pueden convertir virtualmente cualquier superficie en una fuente de energía eléctrica.
Las células solares fotovoltaicas hechas de compuestos orgánicos ofrecerían una variedad de ventajas sobre las células solares inorgánicas de silicio actuales. Serían más baratos y fáciles de fabricar. Serían ligeros y flexibles en lugar de pesados, rígidos y frágiles, y serían más fáciles de transportar, incluso a regiones remotas sin una red eléctrica central. Y podrían ser transparentes. Muchos materiales orgánicos absorben los componentes ultravioleta e infrarrojo de la luz solar, pero transmiten la parte visible que nuestros ojos pueden detectar. Por lo tanto, las células solares orgánicas podrían montarse en superficies que nos rodean y cosechar energía sin que nos fijáramos en ellas.
Los investigadores han hecho avances significativos en la última década hacia el desarrollo de células solares orgánicas transparentes. Pero han encontrado un obstáculo persistente: encontrar materiales adecuados para los electrodos que llevan corriente fuera de la célula.
“Es raro encontrar materiales en la naturaleza que sean eléctricamente conductores y ópticamente transparentes”, dice el profesor Jing Kong del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS).
La opción de corriente más utilizada es el óxido de indio y estaño (ITO). ITO es conductivo y transparente, pero también es rígido y quebradizo, por lo que cuando la célula solar orgánica se dobla, el electrodo ITO tiende a agrietarse y levantarse. Además, el indio es caro y relativamente raro.
Una alternativa prometedora a ITO es el grafeno, una forma de carbono que se produce en hojas de un átomo de espesor y tiene características notables. Es altamente conductor, flexible, robusto y transparente; Y está hecho de carbono barato y omnipresente. Además, un electrodo de grafeno puede tener sólo 1 nanómetro de espesor – una fracción tan gruesa como un electrodo de ITO y un mucho mejor partido para la célula solar orgánica fina sí mismo.
Retos del grafeno
Dos problemas clave han frenado la adopción al por mayor de electrodos de grafeno. El primer problema es depositar los electrodos de grafeno sobre la célula solar. La mayoría de las células solares están construidas sobre substratos como vidrio o plástico. El electrodo inferior de grafeno se deposita directamente sobre ese sustrato, tarea que puede lograrse mediante procesos que incluyen agua, disolventes y calor. A continuación se añaden las otras capas, que terminan con el electrodo de grafeno superior. Pero poner ese electrodo superior sobre la superficie de la llamada capa de transporte de agujeros (HTL) es complicado.
“El HTL se disuelve en el agua, y los materiales orgánicos justo debajo de él son sensibles a prácticamente cualquier cosa, incluyendo agua, disolventes y calor”, dice el estudiante graduado de EECS Yi Song, un miembro de Eni-MIT Energy 2016-2017 y miembro de Grupo de Nanomateriales y Electrónica de Kong. Como resultado, los investigadores han persistido típicamente en el uso de un electrodo ITO en la parte superior.
El segundo problema con el uso de grafeno es que los dos electrodos necesitan jugar diferentes papeles. La facilidad con que un material dado deja ir de electrones es una propiedad de conjunto llamada su función de trabajo. Pero en la célula solar, sólo uno de los electrodos debe permitir que los electrones fluyan fácilmente. Como resultado, tener ambos electrodos hechos de grafeno requeriría cambiar la función de trabajo de uno de ellos para que los electrones supieran a dónde ir y cambiar la función de trabajo de cualquier material no es sencillo.
Una transferencia de grafeno lisa
Durante los últimos tres años, Kong y Song han estado trabajando para resolver estos problemas. Primero desarrollaron y optimizaron un proceso para colocar el electrodo inferior en su sustrato.
En ese proceso, crecen una hoja de grafeno sobre una lámina de cobre. A continuación, se transfiere sobre el sustrato mediante una técnica demostrada por Kong y sus colegas en 2008. Ellos depositan una capa de polímero en la parte superior de la hoja de grafeno para apoyar y luego utilizar una solución ácida para grabar la hoja de cobre de la espalda, Con una pila de polímero-polímero que se transfieren al agua para enjuagar. A continuación, simplemente recoger la pila de polímero de grafeno flotante con el sustrato y retirar la capa de polímero utilizando calor o un enjuague con acetona. El resultado: un electrodo de grafeno que descansa sobre el sustrato.
Pero extraer el electrodo superior fuera del agua no es factible. Por lo tanto, en su lugar, giran la pila flotante de polímero de grafeno en una especie de sello, presionando sobre ella un marco de caucho de silicio de medio milímetro de grosor. Agarrando el marco con las pinzas, levantan la pila hacia fuera, se secan apagado, y la colocan abajo en la parte superior del HTL. Entonces, con calentamiento mínimo, pueden despegar el sello de caucho de silicio y la capa de soporte de polímero, dejando el grafeno depositado en el HTL.
Inicialmente, los electrodos que Song y Kong fabricaron usando este proceso no funcionaron bien. Las pruebas demostraron que la capa de grafeno no se adhería firmemente al HTL, por lo que la corriente no podía fluir eficientemente. Las soluciones obvias a este problema no funcionarán. Calentar la estructura lo suficiente para que el grafeno se adhiera dañaría los orgánicos sensibles. Y poner algún tipo de pegamento en la parte inferior del grafeno antes de colocarlo en el HTL pegaría las dos capas juntas, pero terminaría como una capa añadida entre ellas, disminuyendo en lugar de aumentar el contacto interfacial.
Song decidió que agregar pegamento al sello podría ser el camino a seguir – pero no como una capa bajo el grafeno.
“Pensamos, ¿qué pasa si pulverizamos este polímero pegajoso muy suave sobre el grafeno?”, Dice. “No estaría en contacto directo con la capa de transporte de agujeros, pero debido a que el grafeno es tan delgado, tal vez sus propiedades adhesivas podrían permanecer intactas a través del grafeno”.
Para probar la idea, los investigadores incorporaron una capa de acetato de etileno-vinilo, o EVA, en su sello, justo encima del grafeno. La capa de EVA es muy flexible y delgada – una especie de envoltura de alimentos – y puede desgarrar fácilmente. Pero encontraron que la capa de polímero que viene a continuación lo mantiene unido, y el arreglo funcionó como Song había esperado: La película de EVA se adhiere firmemente al HTL, conforme a cualquier rasgos ásperos microscópicos en la superficie y forzando la fina capa de grafeno debajo Para hacer lo mismo.
El proceso no sólo mejoró el rendimiento, sino que también trajo un beneficio lateral inesperado. Los investigadores pensaron que su próxima tarea sería encontrar una manera de cambiar la función de trabajo del electrodo de grafeno superior de modo que diferiría de la del fondo, asegurando un flujo de electrones suave. Pero ese paso no era necesario. Su técnica para colocar el grafeno en el HTL realmente cambia la función de trabajo del electrodo a exactamente lo que necesitan que sea.
“Tuvimos suerte”, dice Song. “Nuestros electrodos superiores e inferiores simplemente tienen las funciones de trabajo correctas como resultado de los procesos que usamos para fabricarlos”.
Poner los electrodos a prueba
Para ver qué tan bien sus electrodos de grafeno realizarían en la práctica, los investigadores necesitaron incorporarlos en células solares orgánicas funcionando. Para esa tarea, se dirigieron a las instalaciones de fabricación y pruebas de células solares de su colega Vladimir Bulović , Fariborz Maseeh (1990) Profesor de Tecnología Emergente y Decano Asociado de Innovación para la Escuela de Ingeniería.
Para la comparación, construyeron una serie de células solares en sustratos de cristal rígidos con los electrodos hechos del graphene, de ITO, y del aluminio (un material estándar del electrodo). Las densidades de corriente (o CD, la cantidad de corriente que fluye por unidad de área) y las eficiencias de conversión de potencia (o PCEs, la fracción de energía solar entrante convertida en electricidad) para los nuevos dispositivos flexibles de grafeno / grafeno y los dispositivos estándar rígidos de ITO / Eran comparables. Eran inferiores a los de los dispositivos con un electrodo de aluminio, pero eso era un hallazgo que ellos esperaban.
“Un electrodo de aluminio en la parte inferior reflejará parte de la luz entrante de nuevo en la célula solar, por lo que el dispositivo en general puede absorber más de la energía del sol que un dispositivo transparente puede”, dice Kong.
Los PCE para todos sus dispositivos de grafeno / grafeno – sobre sustratos de vidrio rígidos, así como sustratos flexibles – oscilaron entre 2,8 por ciento y 4,1 por ciento. Mientras que esos valores están muy por debajo de los PCE de los paneles solares comerciales existentes, son una mejora significativa sobre los PCEs logrados en el trabajo previo con dispositivos semitransparentes con todos los electrodos de grafeno, dicen los investigadores.
Las mediciones de la transparencia de sus dispositivos grafeno / grafeno dieron otros resultados alentadores. El ojo humano puede detectar luz en longitudes de onda entre unos 400 nanómetros y 700 nanómetros. Todos los dispositivos de grafeno mostraron una transmitancia óptica de 61 por ciento en todo el régimen visible y hasta 69 por ciento a 550 nanómetros. “Esos valores [de transmitancia] están entre los más altos para las células solares transparentes con eficiencias comparables de conversión de potencia en la literatura”, dice Kong.
Sustratos flexibles, comportamiento de flexión
Los investigadores señalan que su célula solar orgánica puede depositarse sobre cualquier tipo de superficie, rígida o flexible, transparente o no. “Si quieres ponerlo en la superficie de tu coche, por ejemplo, no se verá mal”, dice Kong. Podrás ver a través de lo que originalmente estaba allí.
Para demostrar esa versatilidad, depositaron sus dispositivos de grafeno-grafeno sobre sustratos flexibles incluyendo plástico, papel opaco y cinta translúcida de Kapton. Las mediciones muestran que el rendimiento de los dispositivos es aproximadamente igual en los tres sustratos flexibles – y sólo ligeramente inferior a los realizados en vidrio, probablemente debido a que las superficies son más rugosas por lo que hay un mayor potencial de contacto pobre.
La capacidad de depositar la célula solar en cualquier superficie hace que sea prometedor para su uso en electrónica de consumo – un campo que está creciendo rápidamente en todo el mundo. Por ejemplo, las células solares podrían ser fabricadas directamente en teléfonos celulares y portátiles en lugar de ser hechas por separado y luego instaladas, un cambio que reduciría significativamente los costos de fabricación.
También serían adecuados para dispositivos futuros tales como células solares de pelar y pegar y electrónica de papel. Dado que esos dispositivos inevitablemente se doblaban y se doblaban, los investigadores sometieron sus muestras al mismo tratamiento. Mientras que todos sus dispositivos – incluyendo aquellos con electrodos de ITO – podrían ser plegados repetidamente, aquellos con electrodos de grafeno podrían ser doblados mucho más fuertemente antes de que su producción comenzara a disminuir.
Metas futuras
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la eficiencia de sus células solares orgánicas basadas en el grafeno sin sacrificar la transparencia. (Aumentar la cantidad de área activa aumentaría el PCE, pero la transparencia disminuiría.) Según sus cálculos, el PCE máximo teórico alcanzable en su nivel actual de transparencia es 10 por ciento.
“Nuestro mejor PCE es de alrededor del 4 por ciento, por lo que todavía tenemos un camino por recorrer”, dice Song.
También están considerando la mejor forma de ampliar sus células solares en los dispositivos de gran superficie necesarios para cubrir ventanas y paredes enteras, donde podrían generar energía eficientemente mientras permanecen prácticamente invisibles para el ojo humano.
Esta investigación fue apoyada por la compañía energética italiana Eni SpA, como parte del Centro de Fronteras Solar de la Alianza Eni-MIT. Eni es miembro fundador de la Iniciativa de Energía del MIT.
Este artículo apareció en la edición de primavera de 2017 de Energy Futures, la revista de la Iniciativa de Energía del MIT.