{"id":6537,"date":"2017-08-01T08:52:09","date_gmt":"2017-08-01T14:52:09","guid":{"rendered":"http:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/?p=6537"},"modified":"2017-08-01T08:53:51","modified_gmt":"2017-08-01T14:53:51","slug":"celulas-solares-transparentes-y-flexibles","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/otech.uaeh.edu.mx\/noti\/energias-alternas\/celulas-solares-transparentes-y-flexibles\/","title":{"rendered":"C\u00e9lulas solares transparentes y flexibles"},"content":{"rendered":"

Una nueva c\u00e9lula solar de grafeno flexible desarrollada en MIT se ve en la regi\u00f3n transparente en el centro de esta muestra.\u00a0Alrededor de sus bordes est\u00e1n los contactos met\u00e1licos sobre los cuales pueden conectarse sondas durante las pruebas de funcionamiento del dispositivo.<\/p>\n

Imagine un futuro en el que las c\u00e9lulas solares est\u00e9n alrededor de nosotros: en ventanas y paredes, tel\u00e9fonos celulares, computadoras port\u00e1tiles y m\u00e1s.\u00a0Una nueva c\u00e9lula solar flexible y transparente desarrollada en el MIT est\u00e1 acercando ese futuro un paso m\u00e1s.<\/p>\n

El dispositivo combina materiales org\u00e1nicos (que contienen carbono) de bajo coste con electrodos de grafeno, un material flexible y transparente fabricado con fuentes de carbono baratas y abundantes.\u00a0Este avance en tecnolog\u00eda solar fue posibilitado por un nuevo m\u00e9todo de depositar una capa de grafeno de un \u00e1tomo de grueso en la c\u00e9lula solar, sin da\u00f1ar los materiales org\u00e1nicos sensibles cercanos.\u00a0Hasta ahora, los reveladores de c\u00e9lulas solares transparentes han confiado t\u00edpicamente en los electrodos caros, quebradizos que tienden para agrietarse cuando el dispositivo se dobla.\u00a0La capacidad de utilizar grafeno en su lugar est\u00e1 haciendo posibles c\u00e9lulas solares transparentes, realmente flexibles y de bajo costo que pueden convertir virtualmente cualquier superficie en una fuente de energ\u00eda el\u00e9ctrica.<\/p>\n

Las c\u00e9lulas solares fotovoltaicas hechas de compuestos org\u00e1nicos ofrecer\u00edan una variedad de ventajas sobre las c\u00e9lulas solares inorg\u00e1nicas de silicio actuales.\u00a0Ser\u00edan m\u00e1s baratos y f\u00e1ciles de fabricar.\u00a0Ser\u00edan ligeros y flexibles en lugar de pesados, r\u00edgidos y fr\u00e1giles, y ser\u00edan m\u00e1s f\u00e1ciles de transportar, incluso a regiones remotas sin una red el\u00e9ctrica central.\u00a0Y podr\u00edan ser transparentes.\u00a0Muchos materiales org\u00e1nicos absorben los componentes ultravioleta e infrarrojo de la luz solar, pero transmiten la parte visible que nuestros ojos pueden detectar.\u00a0Por lo tanto, las c\u00e9lulas solares org\u00e1nicas podr\u00edan montarse en superficies que nos rodean y cosechar energ\u00eda sin que nos fij\u00e1ramos en ellas.<\/p>\n

Los investigadores han hecho avances significativos en la \u00faltima d\u00e9cada hacia el desarrollo de c\u00e9lulas solares org\u00e1nicas transparentes.\u00a0Pero han encontrado un obst\u00e1culo persistente: encontrar materiales adecuados para los electrodos que llevan corriente fuera de la c\u00e9lula.<\/p>\n

“Es raro encontrar materiales en la naturaleza que sean el\u00e9ctricamente conductores y \u00f3pticamente transparentes”, dice el\u00a0profesor Jing Kong<\/a>\u00a0\u00a0del Departamento de Ingenier\u00eda El\u00e9ctrica y Ciencias de la Computaci\u00f3n (EECS).<\/p>\n

La opci\u00f3n de corriente m\u00e1s utilizada es el \u00f3xido de indio y esta\u00f1o (ITO).\u00a0ITO es conductivo y transparente, pero tambi\u00e9n es r\u00edgido y quebradizo, por lo que cuando la c\u00e9lula solar org\u00e1nica se dobla, el electrodo ITO tiende a agrietarse y levantarse.\u00a0Adem\u00e1s, el indio es caro y relativamente raro.<\/p>\n

Una alternativa prometedora a ITO es el grafeno, una forma de carbono que se produce en hojas de un \u00e1tomo de espesor y tiene caracter\u00edsticas notables.\u00a0Es altamente conductor, flexible, robusto y transparente;\u00a0Y est\u00e1 hecho de carbono barato y omnipresente.\u00a0Adem\u00e1s, un electrodo de grafeno puede tener s\u00f3lo 1 nan\u00f3metro de espesor – una fracci\u00f3n tan gruesa como un electrodo de ITO y un mucho mejor partido para la c\u00e9lula solar org\u00e1nica fina s\u00ed mismo.<\/p>\n

Retos del grafeno<\/strong><\/p>\n

Dos problemas clave han frenado la adopci\u00f3n al por mayor de electrodos de grafeno.\u00a0El primer problema es depositar los electrodos de grafeno sobre la c\u00e9lula solar.\u00a0La mayor\u00eda de las c\u00e9lulas solares est\u00e1n construidas sobre substratos como vidrio o pl\u00e1stico.\u00a0El electrodo inferior de grafeno se deposita directamente sobre ese sustrato, tarea que puede lograrse mediante procesos que incluyen agua, disolventes y calor.\u00a0A continuaci\u00f3n se a\u00f1aden las otras capas, que terminan con el electrodo de grafeno superior.\u00a0Pero poner ese electrodo superior sobre la superficie de la llamada capa de transporte de agujeros (HTL) es complicado.<\/p>\n

“El HTL se disuelve en el agua, y los materiales org\u00e1nicos justo debajo de \u00e9l son sensibles a pr\u00e1cticamente cualquier cosa, incluyendo agua, disolventes y calor”, dice el estudiante graduado de EECS Yi Song,\u00a0\u00a0un miembro de\u00a0Eni-MIT\u00a0Energy<\/a>\u00a02016-2017\u00a0\u00a0y miembro de Grupo de Nanomateriales y Electr\u00f3nica de Kong.\u00a0Como resultado, los investigadores han persistido t\u00edpicamente en el uso de un electrodo ITO en la parte superior.<\/p>\n

El segundo problema con el uso de grafeno es que los dos electrodos necesitan jugar diferentes papeles.\u00a0La facilidad con que un material dado deja ir de electrones es una propiedad de conjunto llamada su funci\u00f3n de trabajo.\u00a0Pero en la c\u00e9lula solar, s\u00f3lo uno de los electrodos debe permitir que los electrones fluyan f\u00e1cilmente.\u00a0Como resultado, tener ambos electrodos hechos de grafeno requerir\u00eda cambiar la funci\u00f3n de trabajo de uno de ellos para que los electrones supieran a d\u00f3nde ir y cambiar la funci\u00f3n de trabajo de cualquier material no es sencillo.<\/p>\n

Una transferencia de grafeno lisa<\/strong><\/p>\n

Durante los \u00faltimos tres a\u00f1os, Kong y Song han estado trabajando para resolver estos problemas.\u00a0Primero desarrollaron y optimizaron un proceso para colocar el electrodo inferior en su sustrato.<\/p>\n

En ese proceso, crecen una hoja de grafeno sobre una l\u00e1mina de cobre.\u00a0A continuaci\u00f3n, se transfiere sobre el sustrato mediante una t\u00e9cnica demostrada por Kong y sus colegas en 2008. Ellos depositan una capa de pol\u00edmero en la parte superior de la hoja de grafeno para apoyar y luego utilizar una soluci\u00f3n \u00e1cida para grabar la hoja de cobre de la espalda, Con una pila de pol\u00edmero-pol\u00edmero que se transfieren al agua para enjuagar.\u00a0A continuaci\u00f3n, simplemente recoger la pila de pol\u00edmero de grafeno flotante con el sustrato y retirar la capa de pol\u00edmero utilizando calor o un enjuague con acetona.\u00a0El resultado: un electrodo de grafeno que descansa sobre el sustrato.<\/p>\n

Pero extraer el electrodo superior fuera del agua no es factible.\u00a0Por lo tanto, en su lugar, giran la pila flotante de pol\u00edmero de grafeno en una especie de sello, presionando sobre ella un marco de caucho de silicio de medio mil\u00edmetro de grosor.\u00a0Agarrando el marco con las pinzas, levantan la pila hacia fuera, se secan apagado, y la colocan abajo en la parte superior del HTL.\u00a0Entonces, con calentamiento m\u00ednimo, pueden despegar el sello de caucho de silicio y la capa de soporte de pol\u00edmero, dejando el grafeno depositado en el HTL.<\/p>\n

Inicialmente, los electrodos que Song y Kong fabricaron usando este proceso no funcionaron bien.\u00a0Las pruebas demostraron que la capa de grafeno no se adher\u00eda firmemente al HTL, por lo que la corriente no pod\u00eda fluir eficientemente.\u00a0Las soluciones obvias a este problema no funcionar\u00e1n.\u00a0Calentar la estructura lo suficiente para que el grafeno se adhiera da\u00f1ar\u00eda los org\u00e1nicos sensibles.\u00a0Y poner alg\u00fan tipo de pegamento en la parte inferior del grafeno antes de colocarlo en el HTL pegar\u00eda las dos capas juntas, pero terminar\u00eda como una capa a\u00f1adida entre ellas, disminuyendo en lugar de aumentar el contacto interfacial.<\/p>\n

Song decidi\u00f3 que agregar pegamento al sello podr\u00eda ser el camino a seguir – pero no como una capa bajo el grafeno.<\/p>\n

“Pensamos, \u00bfqu\u00e9 pasa si pulverizamos este pol\u00edmero pegajoso muy suave sobre el grafeno?”, Dice.\u00a0“No estar\u00eda en contacto directo con la capa de transporte de agujeros, pero debido a que el grafeno es tan delgado, tal vez sus propiedades adhesivas podr\u00edan permanecer intactas a trav\u00e9s del grafeno”.<\/p>\n

Para probar la idea, los investigadores incorporaron una capa de acetato de etileno-vinilo, o EVA, en su sello, justo encima del grafeno.\u00a0La capa de EVA es muy flexible y delgada – una especie de envoltura de alimentos – y puede desgarrar f\u00e1cilmente.\u00a0Pero encontraron que la capa de pol\u00edmero que viene a continuaci\u00f3n lo mantiene unido, y el arreglo funcion\u00f3 como Song hab\u00eda esperado: La pel\u00edcula de EVA se adhiere firmemente al HTL, conforme a cualquier rasgos \u00e1speros microsc\u00f3picos en la superficie y forzando la fina capa de grafeno debajo Para hacer lo mismo.<\/p>\n

El proceso no s\u00f3lo mejor\u00f3 el rendimiento, sino que tambi\u00e9n trajo un beneficio lateral inesperado.\u00a0Los investigadores pensaron que su pr\u00f3xima tarea ser\u00eda encontrar una manera de cambiar la funci\u00f3n de trabajo del electrodo de grafeno superior de modo que diferir\u00eda de la del fondo, asegurando un flujo de electrones suave.\u00a0Pero ese paso no era necesario.\u00a0Su t\u00e9cnica para colocar el grafeno en el HTL realmente cambia la funci\u00f3n de trabajo del electrodo a exactamente lo que necesitan que sea.<\/p>\n

“Tuvimos suerte”, dice Song.\u00a0“Nuestros electrodos superiores e inferiores simplemente tienen las funciones de trabajo correctas como resultado de los procesos que usamos para fabricarlos”.<\/p>\n

Poner los electrodos a prueba<\/strong><\/p>\n

Para ver qu\u00e9 tan bien sus electrodos de grafeno realizar\u00edan en la pr\u00e1ctica, los investigadores necesitaron incorporarlos en c\u00e9lulas solares org\u00e1nicas funcionando.\u00a0Para esa tarea, se dirigieron a las instalaciones de fabricaci\u00f3n y pruebas de c\u00e9lulas solares de su colega\u00a0\u00a0Vladimir Bulovi\u0107<\/a>\u00a0, Fariborz Maseeh (1990) Profesor de Tecnolog\u00eda Emergente y Decano Asociado de Innovaci\u00f3n para la Escuela de Ingenier\u00eda.<\/p>\n

Para la comparaci\u00f3n, construyeron una serie de c\u00e9lulas solares en sustratos de cristal r\u00edgidos con los electrodos hechos del graphene, de ITO, y del aluminio (un material est\u00e1ndar del electrodo).\u00a0Las densidades de corriente (o CD, la cantidad de corriente que fluye por unidad de \u00e1rea) y las eficiencias de conversi\u00f3n de potencia (o PCEs, la fracci\u00f3n de energ\u00eda solar entrante convertida en electricidad) para los nuevos dispositivos flexibles de grafeno \/ grafeno y los dispositivos est\u00e1ndar r\u00edgidos de ITO \/ Eran comparables.\u00a0Eran inferiores a los de los dispositivos con un electrodo de aluminio, pero eso era un hallazgo que ellos esperaban.<\/p>\n

“Un electrodo de aluminio en la parte inferior reflejar\u00e1 parte de la luz entrante de nuevo en la c\u00e9lula solar, por lo que el dispositivo en general puede absorber m\u00e1s de la energ\u00eda del sol que un dispositivo transparente puede”, dice Kong.<\/p>\n

Los PCE para todos sus dispositivos de grafeno \/ grafeno – sobre sustratos de vidrio r\u00edgidos, as\u00ed como sustratos flexibles – oscilaron entre 2,8 por ciento y 4,1 por ciento.\u00a0Mientras que esos valores est\u00e1n 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.<\/p>\n

Las mediciones de la transparencia de sus dispositivos grafeno \/ grafeno dieron otros resultados alentadores.\u00a0El ojo humano puede detectar luz en longitudes de onda entre unos 400 nan\u00f3metros y 700 nan\u00f3metros.\u00a0Todos los dispositivos de grafeno mostraron una transmitancia \u00f3ptica de 61 por ciento en todo el r\u00e9gimen visible y hasta 69 por ciento a 550 nan\u00f3metros.\u00a0“Esos valores [de transmitancia] est\u00e1n entre los m\u00e1s altos para las c\u00e9lulas solares transparentes con eficiencias comparables de conversi\u00f3n de potencia en la literatura”, dice Kong.<\/p>\n

Sustratos flexibles, comportamiento de flexi\u00f3n<\/strong><\/p>\n

Los investigadores se\u00f1alan que su c\u00e9lula solar org\u00e1nica puede depositarse sobre cualquier tipo de superficie, r\u00edgida o flexible, transparente o no.\u00a0“Si quieres ponerlo en la superficie de tu coche, por ejemplo, no se ver\u00e1 mal”, dice Kong.\u00a0Podr\u00e1s ver a trav\u00e9s de lo que originalmente estaba all\u00ed.<\/p>\n

Para demostrar esa versatilidad, depositaron sus dispositivos de grafeno-grafeno sobre sustratos flexibles incluyendo pl\u00e1stico, papel opaco y cinta transl\u00facida de Kapton.\u00a0Las mediciones muestran que el rendimiento de los dispositivos es aproximadamente igual en los tres sustratos flexibles – y s\u00f3lo ligeramente inferior a los realizados en vidrio, probablemente debido a que las superficies son m\u00e1s rugosas por lo que hay un mayor potencial de contacto pobre.<\/p>\n

La capacidad de depositar la c\u00e9lula solar en cualquier superficie hace que sea prometedor para su uso en electr\u00f3nica de consumo – un campo que est\u00e1 creciendo r\u00e1pidamente en todo el mundo.\u00a0Por ejemplo, las c\u00e9lulas solares podr\u00edan ser fabricadas directamente en tel\u00e9fonos celulares y port\u00e1tiles en lugar de ser hechas por separado y luego instaladas, un cambio que reducir\u00eda significativamente los costos de fabricaci\u00f3n.<\/p>\n

Tambi\u00e9n ser\u00edan adecuados para dispositivos futuros tales como c\u00e9lulas solares de pelar y pegar y electr\u00f3nica de papel.\u00a0Dado que esos dispositivos inevitablemente se doblaban y se doblaban, los investigadores sometieron sus muestras al mismo tratamiento.\u00a0Mientras que todos sus dispositivos – incluyendo aquellos con electrodos de ITO – podr\u00edan ser plegados repetidamente, aquellos con electrodos de grafeno podr\u00edan ser doblados mucho m\u00e1s fuertemente antes de que su producci\u00f3n comenzara a disminuir.<\/p>\n

Metas futuras<\/strong><\/p>\n

Los investigadores ahora est\u00e1n trabajando para mejorar la eficiencia de sus c\u00e9lulas solares org\u00e1nicas basadas en el grafeno sin sacrificar la transparencia.\u00a0(Aumentar la cantidad de \u00e1rea activa aumentar\u00eda el PCE, pero la transparencia disminuir\u00eda.) Seg\u00fan sus c\u00e1lculos, el PCE m\u00e1ximo te\u00f3rico alcanzable en su nivel actual de transparencia es 10 por ciento.<\/p>\n

“Nuestro mejor PCE es de alrededor del 4 por ciento, por lo que todav\u00eda tenemos un camino por recorrer”, dice Song.<\/p>\n

Tambi\u00e9n est\u00e1n considerando la mejor forma de ampliar sus c\u00e9lulas solares en los dispositivos de gran superficie necesarios para cubrir ventanas y paredes enteras, donde podr\u00edan generar energ\u00eda eficientemente mientras permanecen pr\u00e1cticamente invisibles para el ojo humano.<\/p>\n

<\/div>\n

Esta investigaci\u00f3n fue apoyada por la compa\u00f1\u00eda energ\u00e9tica italiana Eni SpA, como parte del Centro de Fronteras Solar de la Alianza Eni-MIT.\u00a0Eni es miembro fundador de la Iniciativa de Energ\u00eda del MIT.<\/p>\n

Este art\u00edculo apareci\u00f3 en la\u00a0\u00a0\u00a0edici\u00f3n de\u00a0primavera de 2017<\/a>\u00a0de\u00a0<\/em>\u00a0Energy Futures,\u00a0\u00a0la revista de la Iniciativa de Energ\u00eda del MIT.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Una nueva c\u00e9lula solar de grafeno flexible desarrollada en MIT se ve en la regi\u00f3n transparente en el centro de esta muestra.\u00a0Alrededor de sus bordes est\u00e1n los contactos met\u00e1licos sobre los cuales pueden conectarse sondas durante las pruebas de funcionamiento del dispositivo.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":6538,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[82],"tags":[],"class_list":["post-6537","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-energias-alternas"],"yoast_head":"\nC\u00e9lulas solares transparentes y flexibles - Observatorio Tecnol\u00f3gico de Hidalgo<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"Los investigadores desarrollan una t\u00e9cnica novedosa que utiliza grafeno para crear c\u00e9lulas solares que pueden montar en superficies que van desde vidrio a pl\u00e1stico, papel y cinta 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