El llamado «supermaterial del futuro», es uno de los componentes clave para el desarrollo de la tecnología actual. La energía solar y grafeno forman una pareja, que revolucionará la energía.
Las expectativas generadas por el grafeno están siendo enormes. No hay duda que presenta propiedades excepcionales que en principio podrían suponer una verdadera revolución tecnológica debido a sus características específicas.
¿Qué es el grafeno?
El grafeno es un material con propiedades extraordinarias capaz de aportar mejoras a la nueva generación de dispositivos de producción y almacenamiento de energía. «, explican fuentes del ITE. El grafeno es un nanomaterial compuesto por una agrupación de átomos de carbono que están colocados con una configuración hexagonal. Similar a la que tendría un panal de abejas.
Se trata de una capa de carbono que tiene sólo un átomo de espesor. Por lo tanto, forma un material con un grosor muy pequeño, tanto que está considerado como bidimensional. Un ejemplo para imaginarlo mejor es un lápiz escolar, dentro tiene tres millones de capas de grafeno. Tres millones de capas de un material con grandes propiedades y características. ¡Impresionante, ¿no? Estamos ante un material superconductor, duro, ligero, y muy resistente.
El grafeno solar es la aplicación directa de este material en la tecnología fotovoltaica. Las necesidades energéticas actuales requieren nuevos sistemas de generación de energía económicos e inteligentes. Estos deben ser capaces de responder a estímulos externos como la presión, fricción, flujo de un líquido, o temperatura. También permitirá crear sistemas de almacenamiento de energía con mayores capacidades. También, se buscan funciones singulares como: deformables, respuesta a un estímulo, y sensitivas. Todo apunta a ser un gran material para el desarrollo de sensores y electrodos en baterías.
El grafeno en los paneles solares
Las propiedades únicas del grafeno, como su alta conductividad eléctrica y térmica, su resistencia y su ligereza, despiertan el interes de los ingenieros de energía. Estas propiedades lo hacen muy interesante para su uso en la fabricación de paneles solares de energía fotovoltaica.
En la actualidad, el grafeno se utiliza principalmente en la mejora de los materiales convencionales utilizados en los paneles solares, como el silicio, para aumentar su eficiencia. Por ejemplo, se ha demostrado que la incorporación de grafeno en las células solares de silicio puede aumentar su eficiencia de conversión de energía solar en electricidad en un 20%.
También se están desarrollando placas solares fabricadas integramente con grafeno. Estos paneles solares de grafeno podrían tener una eficiencia de conversión de energía aún mayor que las placas convencionales. Además, son más ligeras y resistentes una gran ventaja para instalarla sobre los tejados de las viviendas..
En la fabricación de placas solares de grafeno, se utiliza una técnica llamada deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés). En este proceso, se calienta una superficie de sustrato (como una lámina de cobre) y se hace pasar una mezcla de gases (como metano e hidrógeno) sobre ella. Los átomos de carbono en los gases se adhieren a la superficie calentada, formando una capa de grafeno.
Luego, se puede transferir la capa de grafeno a un sustrato adecuado para la fabricación de placas solares, como una lámina de vidrio. Sobre este sustrato, se pueden depositar los materiales adicionales necesarios para la fabricación de las células solares.
Las aplicaciones del grafeno solar
Los nuevos avances nos permiten más aplicaciones de energía solar con grafeno. Los materiales grafénicos se caracterizan mediante técnicas analíticas, espectroscópicas y de microscopia. Estas técnicas han permitido conocer sus características fisicoquímicas, composición y morfología. De esta forma, se tiene un análisis de la huella dactilar del grafeno antes de ser integrado en el dispositivo.
Existen ensayos de estabilidad térmica mediante la caracterización del material. Para emplearlos como sensores se realiza una colocación de películas finas y transparentes de estos materiales sobre distintos sustratos. Antes de usarlos se debe evaluar su uniformidad y conductividad eléctrica.
También, se ha integrado el grafeno en las composiciones de electrodos para baterías. Se optimiza el proceso de preparación y se estudia sus proporciones más adecuadas. Esto permite la aparición de nuevas aplicaciones de energía solar y grafeno.
El ITE tiene una línea de investigación centrada en el desarrollo de materiales poliméricos y carbonosos aplicados al desarrollo de sistemas de generación y almacenamiento energético.
Investigaciones en la UPM sobre grafeno
Un supercondensador es un dispositivo de almacenamiento de energía por medios físicos que permite cargar y descargarse en pocos segundos. Desde Stoller describió el primer supercondensador de grafeno, se han alcanzado avances espectaculares. Se ha conseguido cada vez mayor densidad de energía y de potencia.
Unos investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid publicaron en la revista científica Sustainable Energy & Fuels unos interesantes descubrimientos. Afirman que vivimos en una sociedad energéticamente dependiente y con una demanda creciente de energía. El número de dispositivos electrónicos ha crecido de forma exponencial. Todos ellos necesitan una fuente energética que ha ido evolucionando con el tiempo. Primero fueron las baterías, pero los supercondensadores apuntan a un futuro a corto plazo para competir con ellas
El grafeno permite fabricar supercondensadores con mejores características de capacidad específica, densidad de energía, potencia. Por eso, es natural que pronto pasarán a formar parte de nuestros dispositivos electrónicos. Se podrá sustituir otros componentes comerciales más caros, más contaminantes y menos eficientes. El avance del estudio del grafeno solar permitirá usarlo como complemento a otros dispositivos de almacenamiento de energía, este es el caso de las baterías de litio.
Además, sus posibilidades no se quedarán en ámbitos medioambientales o energéticos. Sus ventajas llegarán a campos como la agricultura o la biomedicina. Los supercondensadores de grafeno podrán formar parte de dispositivos miniaturizados autoalimentados. será un gran avance para dispositivos electrónicos portátiles y para el Internet de las Cosas.
Los paneles de grafeno solar
La tecnología de heterounión de silicio surge como solución potencial de baja temperatura, ya que se trata de dispositivos con excelentes prestaciones y bajo consumo de energía en su fabricación.
Uno de los progresos en esta tecnología requiere desarrollar nuevas arquitecturas de electrodos frontales transparentes que permitan la extracción de la corriente del dispositivo de manera más eficiente.
En este sentido, el uso del grafeno, el material más resistente que se conoce en la naturaleza, atrae un gran interés. Se piensa que puede ser el substituto incluso de materiales tan importantes como el propio silicio en algunas aplicaciones. El grafeno a diferencia de los metales tradicionales, es transparente, con gran fotosensibilidad y flexible, por lo que tiene un gran potencial como componente clave en células solares fotovoltaicas.
Las expectativas generadas para este material están siendo enormes, y no hay duda que presenta propiedades excepcionales que en principio podrían suponer una verdadera revolución tecnológica debido a sus características específicas.
Se trata de instalaciones idénticas a las fotovoltaicas actuales, capaces de transformar la luz solar en un flujo constante de electricidad, pero que en su recubrimiento cuenta con una capa de grafeno.
Experiencias en placas solares de grafeno
El grafeno se dice que será la herramienta de construcción de casi todo en el futuro. Sus propiedades son impresionantes; no sólo es muy resistente, además, conduce muy bien la electricidad. Una capa de grafeno, de apenas un átomo de espesor, es suficiente para que los electrones se muevan a placer por la superficie de los paneles fotovoltaicos.
Un interesante dispositivo sirvió para relacionar la energía solar y el grafeno. El agua de lluvia contiene entre otros iones de amonio, calcio y sodio. Estos reaccionan con el grafeno para formar lo que los expertos en electrónica de potencia denominan un supercapacitor. La diferencia de potencial entre la capa de grafeno y la de agua es muy grande. Esto produce un intercambio de electrones cuando la lluvia golpea el panel solar.
Los científicos explican que el rendimiento del panel en los días de sol sería del 7%. La capa de grafeno reduce la eficiencia durante los días de sol, que en los paneles normales alcanza ya el 20%. Mientras que su capacidad de generación a partir de la lluvia sería de varios cientos de microvoltios. ¡Una ruina!
Eso hace al diseño inicial una solución inviable en el mercado actual. No obstante, si los científicos fuesen capaces de mejorar su funcionamiento, este tipo de instalaciones quizá podría complementar a los parques fotovoltaicos convencionales. Sobre todo, en las regiones del planeta con menos horas de sol y que reciben una gran cantidad de lluvia.
Los paneles solares de grafeno en el proyecto DIGRAFEN
Bajo estas premisas, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del Ciemat, la División de Química y la Unidad de Electrónica, y el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnologías (ISOM) se unieron en una prometedora investigación.
Una de las finalidades de este proyecto es llegar a implementar el grafeno en los paneles solares. La idea es aprovechar sus excelentes propiedades en dispositivos de generación de energía existentes.
Se pretende incorporar este material de modo que se mejoren las propiedades electrónicas y ópticas de los electrodos frontales, obteniendo así células fotovoltaicas más eficientes.
Este proyecto es altamente innovador puesto que su principal enfoque es desarrollar nuevas tecnologías e ingeniería de procesado del grafeno para su uso en dispositivos de generación y almacenamiento de energía.
Los objetivos del grafeno en energía solar
Los objetivos generales del proyecto son:
- Desarrollar una tecnología avanzada para la fabricación de grafeno de alta calidad.
- Aplicar el material grafeno en diferentes dispositivos de energía: en células solares, en supercondensadores y en sistemas de almacenamiento de hidrógeno.
- Optimización de los dispositivos con el fin de lograr el mejor rendimiento y la mayor eficiencia.
- La integración de una célula solar y un supercondensador de doble capa hechos con grafeno para crear un dispositivo multifunción
En concreto se pretende la implementación de grafeno monocapa (2D) en células solares de silicio de heterounión y en células de barrera Schottky para mejorar la eficiencia en la generación de energía.
Por otro lado el uso de grafeno tridimensional (3D) en supercondensadores de doble capa y en el sistema de almacenamiento de hidrógeno de las pilas de combustibles. Se han elegido dos sistemas diferentes de almacenamiento ya que los supercondensadores proporcionan gran cantidad de energía a corto plazo y las pilas de combustible proporcionan energía a largo plazo.
El avance de las placas solares de grafeno es positivo
Los primeros resultados obtenidos revelan que las propiedades optoelectrónicas del electrodo transparente basado en grafeno dependen de manera espectacular del orden en el que se encuentren las capas de grafeno atómico.
Tanto es así que se han obtenido valores de resistencia de hoja de 55 ?/sq cuando el grafeno se coloca en la parte superior del electrodo, y de 150 ?/sq, cuando el grafeno está situado en la parte posterior del mismo (cubierto por el óxido conductor transparente).
En cuanto a sus propiedades ópticas, se ha observado que la transmitancia del conjunto no se ve afectada por la posición del grafeno. Mientras que la comparación de las reflectancias espectrales con y sin grafeno transferido en la parte superior, nos permiten determinar una importante reducción en este valor, esencial para el dispositivo, validándose así la nueva arquitectura.
Estos electrodos se aplicarán en un futuro muy cercano sobre un dispositivo fotovoltaico de heterounión de silicio. Todo ello con la intención de convertir en realidad el uso de uno de los materiales más prometedores que existen, contribuyendo además a la mejora de la generación de una energía limpia y sostenible.
Un fabricante de paneles solares de grafeno
Existe un fabricante de paneles solares de grafeno, se trata de PV Graph. Esta empresa utiliza una tecnología de celda híbrida, que combina tecnología de película delgada con tecnología de silicio cristalino. Así es capaz de fabricar módulos con un 50% más de eficiencia. Además aseguran que su durabilidad es mayor por ser más resitentes a microdaños.
Los módulos fotovoltaicos tradicionales están formados por un grupo de celdas de silicio conectadas entre sí en serie. La pérdida causada por una microgrietas,daña notablemente el sistema.
La arquitectura propia de PV Graph alcanza una conversión de 1: 1 kWp a kWh: el 100% de la energía solar capturada por el módulo fotovoltaico se transfiere a energía eléctrica utilizable. La matriz de grafeno responde significativamente mejor tanto a la luz dispersa como a la baja. También aplica a celulas fotovoltaicas situadas en zona de sombra. Esto no afecta la sensibilidad del resto del módulo activo, como sucede en otras tecnologías.
Además, su proceso de fabricación a baja temperatura significa que hay menos daño inadvertido en las etapas de producción e instalación: no más soldadura por calor significa menos estrés térmico y menos casos de grietas en las células de silicio. Eso implica una vida más larga para los módulos. Así logra un ahorro en los costes de producción.
