El grafeno solar

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 en este año.

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.

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. “Con el empleo de un nanomaterial novedoso con extraordinarias propiedades como es el grafeno, se pretende dar un paso más en la mejora de este tipo de dispositivos”, explican.

Últimas 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.

Esta semana unos investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid han publicado en la revista científica Sustainable Energy & Fuels sus últimos hallazgos. 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.

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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 previas de energía solar y 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.

El grafeno solar en el proyecto DIGRAFEN

Bajo estas premisas, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del Ciemat, en colaboración con la División de Química y la Unidad de Electrónica, ambas también del Ciemat, y el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnologías (ISOM), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se encuentra inmersa en el proyecto DIGRAFEN de la convocatoria de Retos de 2017.

Una de las finalidades de este proyecto es llegar a implementar el grafeno, aprovechando sus excelentes propiedades, en dispositivos de generación de energía ya 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 la energía solar y 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.

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