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Las células solares de carbono significarán paneles solares baratos y flexibles
Utilizando una bolsa de sorpresas de nanomateriales novedosos, los investigadores de la Universidad de Stanford han construido las primeras células solares totalmente de carbono. Sus sistemas fotovoltaicos de carbono no producen mucha electricidad, pero a medida que se perfecciona la tecnología, las células totalmente de carbono pueden ser económicas, imprimibles, flexibles y lo suficientemente resistentes como para soportar condiciones climáticas y entornos extremos.
Celda de carbono: La célula solar totalmente de carbono consta de una capa fotoactiva entre dos electrodos.
El objetivo no es reemplazar las células solares hechas de silicio y otros materiales inorgánicos, dice Zhenan Bao , profesor de ingeniería química en la Universidad de Stanford, quien dirigió el trabajo. Más bien, es para llenar nuevos nichos. El carbono es uno de los elementos más abundantes en la tierra y es versátil, dice Bao.
El carbono es notablemente resistente: el grafeno de un átomo de espesor y los nanotubos de carbono largos y delgados son dos de los materiales más resistentes jamás probados. Por lo tanto, la energía fotovoltaica de carbono podría rociarse en los lados de los edificios o enrollarse y llevarse al desierto. Se pueden imprimir varias formas de carbono para hacer componentes electrónicos delgados, flexibles, transparentes e incluso estirables.
Gracias a su versatilidad, se utilizó carbono de una forma u otra para fabricar cada componente de la célula solar. Las tres partes principales, un cátodo de nanotubos y un ánodo de grafeno que intercalan una capa activa hecha de nanotubos y bolas de bucky, se fabricaron mediante impresión o evaporación de tintas.
Hacer que el cátodo funcione fue la parte más complicada, dice Bao: los investigadores han tenido dificultades para fabricar nanomateriales de carbono que recolectan electrones. Los investigadores de Stanford resolvieron el problema eligiendo el sabor correcto de nanotubos y dándoles un tratamiento químico. Este trabajo se describe en la revista ACS Nano .
Los fotovoltaicos totalmente de carbono convierten menos del 1 por ciento de la energía de la luz en electricidad (en comparación, una celda solar de silicio convierte alrededor del 20 por ciento de la luz en electricidad). Sin embargo, Bao dice que su grupo trabajó principalmente con materiales listos para usar, con solo un poco de ajuste. Ella atribuye parte del problema a la rugosidad de las películas de carbono, que disparan las cargas de viaje, y dice que debería ser posible suavizarlas trabajando en los métodos de procesamiento.
Los nanomateriales de carbono son todavía materiales relativamente nuevos, dice Bao. Hay mucha investigación sobre cómo controlar sus propiedades y cómo usarlas.
Investigador de IBM Yorktown y 2011 Revisión de tecnología del MIT El joven innovador Fengnian Xia, que no participa en el trabajo, está de acuerdo y dice que las células solares necesitan materiales y procesos de partida de mejor calidad. La idea es genial, y esta es una buena primera demostración, pero no está lista para aplicaciones realistas, dice.
Otros grupos se centran en fabricar mejores materiales de carbono para las capas activas de la energía fotovoltaica. Según cálculos teóricos de Jeffrey Grossman en el MIT, las células solares de carbono deberían poder alcanzar una eficiencia de conversión del 13 por ciento.
Para que las células solares de carbono sean comercialmente viables, dice Shenqiang Ren , profesor asistente de química en la Universidad de Kansas, su eficiencia debe superar el 10 por ciento. El laboratorio de Ren estableció el récord de eficiencia de conversión para las células solares de carbono (equipadas con electrodos metálicos convencionales) en 1.3 por ciento este septiembre, en un trabajo que apareció en ACS Nano . Eso es sobre lo bien que se desempeñaron las primeras células solares de polímero, señala.
Ren está trabajando con científicos de materiales computacionales, incluido Grossman, para diseñar mejores sistemas fotovoltaicos de carbono mediante la selección de los tipos correctos de nanomateriales de carbono. Con esta guía, dice Ren, su laboratorio ya ha fabricado células solares de carbono que convierten el 5 por ciento de la energía luminosa en electricidad, y espera aumentar aún más.