Grafeno

el material diferenciador para el aprovechamiento de la energía solar

La energía solar al ser una fuente limpia y abundante es una de las mejores opciones de energía renovable. Sin embargo, y pese a los avances tecnológicos, al día de hoy sigue siendo insignificante su aprovechamiento. De acuerdo con las estadísticas solo el 0.015% de la energía solar se utiliza para la producción de electricidad, el 0.3% para calefacción y el 11% para la fotosíntesis natural de la biomasa. Por el contrario, alrededor del 85% de las necesidades de energía global se satisfacen mediante combustibles fósiles, los cuales sabemos que son recursos finitos y altamente contaminantes.

“En 90 minutos el sol manda a la tierra la energía suficiente para satisfacer toda la demanda energética del planeta durante un año”

Las celdas solares son dispositivos que permiten convertir la energía solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico; están fabricadas de materiales semiconductores que producen un campo eléctrico cuando se expone a la luz solar y se dividen en cuatro generaciones:

Primera generación

Las celdas solares de primera generación se fabricaron por primera vez en 1954 por los laboratorios Bell. Para ellas se utilizaron películas cristalinas de silicio monocristalino y policristalino con un espesor promedio de 200 a 300 µm, logrando inicialmente una eficiencia de conversión de energía del 6% que posteriormente ascendió hasta al 29% con el uso del arseniuro de galio (GaAs). De hecho, este tipo de celdas siguen siendo las más populares gracias a su alto coeficiente de absorción.

Segunda generación

Emplea las celdas de primera generación en conjunto con una nueva serie de películas considerablemente más delgadas de tan solo 10 µm de espesor a base de silicio microcristalino (µC-Si), silicio amorfo (A-Si), cobre indio galio seleniuro (CIGS) y telurio de cadmio/sulfuro de cadmio (CDTE/CDS). Dos ventajas de esta generación, es su costo y resistencia mecánica, mientras que su desventaja es que para lograr esos beneficios se tuvo que sacrificar en cierta medida la eficiencia de conversión, la cual se redujo a un 23%. Pese a este inconveniente, este tipo de celdas solares siguen estando disponibles en el mercado.

Tercera generación

El alto costo de fabricación de las celdas de silicio, resultado de su compleja manufactura a partir de silicio de alta calidad, abrió paso a la tercera generación, que integra materiales más flexibles, ligeros y económicos. Es así como surgen las celdas solares sensibilizadas con pigmento (DSSC), celdas solares de perovskita (PSC), celdas solares orgánicas/ poliméricas (OPV), celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos (QDSSC) y, finalmente, las celdas solares multiunión.

Probablemente la celda más interesante de este rubro, pero también la más compleja y costosa, es la multiunión. Como su nombre lo indica, consiste en múltiples uniones a partir de varios materiales semiconductores que producen una corriente eléctrica en respuesta a las diferentes longitudes de onda incidentes, mejorando de esta manera la conversión de la luz solar en electricidad; hasta el momento la eficiencia de conversión que se tiene registrada con estos diseños es del 36%

Cuarta generación (híbrida)

Esta última fusiona la flexibilidad y bajo costo de los polímeros, con la estabilidad y durabilidad de las nanopartículas y óxidos metálicos, así como de las nanoestructuras de carbono como el grafeno.

• Celdas solares con grafeno

El grafeno es una nanoestructura de carbono con gran conductividad, transmitancia, resistencia mecánica, estabilidad térmica e inercia química. Pero además consta de una estructura de banda sin brechas (zero band gap) que permite la conducción de electrones como si fuera un metal, así como con del efecto Hall cuántico que permite que sus cargas libres se muevan fácilmente en dos dimensiones a gran velocidad.

Gracias a estas características se descubrió que el grafeno puede utilizarse para la fabricación de electrodos conductores transparentes, dispositivos de captación de energía, fotodetectores y otros dispositivos ópticos. No obstante, pese a que el grafeno es un excelente conductor, no tiene la misma capacidad para recolectar la corriente eléctrica producida dentro de una celda solar, a diferencia de su variante oxidada, el óxido de grafeno (GO), que es un material menos conductor, pero más transparente y mejor colector de carga.

“El grafeno se ha clasificado como un semiconductor semimetálico que presenta una dispersión electrónica lineal con gran movilidad y altas velocidades”.

Otro factor importante del grafeno es su espesor, que a su vez depende de su número de capas. Por esta razón el grafeno se clasifica en monocapa, bicapa, tricapa, de pocas capas (<5 capas) y multicapa (<10 capas), recordando que más de 10 capas de grafeno ya se considera grafito.  Al ser los grafenos bicapa y tricapa los que mantienen un mejor equilibrio entre sus propiedades de transmitancia y resistencia, son los más adecuados para su uso en celdas solares, sobre las cuales idealmente debe mantenerse un espesor máximo de 20 nm.

Aplicaciones del grafeno sobre los componentes de las celdas solares

Electrodos conductores transparentes (ECT).

Los primeros componentes en los que el grafeno ha demostrado tener impactos beneficiosos son los electrodos conductores transparentes (ECT). Anteriormente y debido a su alta conductividad y transmitancia en el espectro visible, para los ECT se utilizaba el óxido de indio- estaño (ITO) sin embargo, las películas suelen ser frágiles e inestables a altas temperaturas. Adicional a esto, cabe mencionar que el indio es un metal sumamente escaso, tóxico y costoso. De hecho, en cuanto aumentó la demanda de las celdas solares, el precio del indio se elevó a tal grado que el costo de los ECT representó el 50% de los costos de fabricación. Por estas razones, el ITO fue remplazado por el óxido de estaño dopado con flúor (FTO), que es más económico y soporta tratamientos químicos agresivos con altas temperaturas.

Además del FTO, el grafeno aparece como alternativa para superar las limitaciones del ITO en los ECT de las celdas solares, siempre y cuando se aumente la relación entre la resistencia y transmitancia. Para ello se han estudiado con buenos resultados los dopajes y co- dopajes químicos del grafeno con polímeros como el PEN, PEDOT: PSS, nanopartículas de oro, nanocables de plata, nanopartículas cúbicas de platino, ácido nitrico (HNO ₃), cloruro de tionilo (SOCl ₂), trietilentetramina (TETA), óxido de grafeno (GO) y bis (trifluorometano sulfonil) amida (TFSA).

Dopaje:  modificación química para disminuir la resistencia del grafeno y ampliar la función de trabajo.

HNO₃-AuNp: ácido nítrico- nanopartículas de oro.

PEN: poli (naftalato de etileno): polímero poliéster con propiedades de barrera.

PEDOT: PSS: Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli (estireno sulfonato) / polímero transparente y conductor.

Capas fotoactivas

Las capas fotoactivas de las celdas solares incluyen capas interfaciales activas, capas de separación de carga electrón/hueco, capas de transporte electrón/hueco (ETL/HTL), capas de bloqueo de carga electrón/hueco y capas amortiguadoras.

De acuerdo con los reportes, el óxido de grafeno neutralizado con litio (GO-Li) en las capas interfaciales mejora no solo la eficiencia sino también la estabilidad del dispositivo a la intemperie (calor, aire y humedad) o como película protectora antirreflectante, gracias a su inercia química y transparencia. Otras funcionalizaciones del grafeno para las capas fotoactivas incluyen al óxido de grafeno reducido con tiolato (TrGO) y al grafeno con sulfuro de cadmio (CdS).

Áreas de oportunidad del grafeno sobre los distintos tipos de celdas solares

Celdas solares de silicio

Las investigaciones indican que la eficiencia de conversión de las celdas solares con grafeno se puede mejorar con la incorporación de una capa de pasivación dieléctrica entre el grafeno y el sustrato de silicio para suprimir la difusión de electrones desde este último hacia la capa de grafeno. Entre los materiales aislantes que podrían utilizarse con efectividad están el dióxido de silicio (SiO ₂), disulfuro de molibdeno (MoS ₂), óxido de aluminio (Al ₂ O₃), óxido de grafeno (GO), nitruro de boro hexagonal (h-BN), poli (3-hexil tiofeno-2,5-diilo) (P3HT), puntos cuánticos, trióxido de molibdeno (MoO ₃), y el espiroOMeTAD, por mencionar algunos.

Celdas solares orgánicas/ poliméricas

En este tipo de celdas, el grafeno puede tener tres funciones generales:

1. Como aditivo en materiales donantes o donantes-aceptores,
2. como electrodo conductor transparente (ánodo y cátodo),
3. como capa fotoactiva separada. 

El grafeno bicapa y tricapa gracias a su alta conductividad puede corregir los problemas de transporte de carga del sistema donador-aceptor de electrones (P3HT: PCBM) asociados al desequilibrio de la movilidad de electrones y huecos para evitar el atrapamiento de carga y mejorar su recolección eficiente. 

P3HT: PCBM sistema donador-aceptor de electrones de las celdas solares poliméricas.

P3HT: polímero conductor

PCBM: derivado de fullereno. 

Celdas solares sensibilizadas con pigmento

Con esta tecnología se trata de emular el proceso de las células vegetales para producir energía a partir de pigmentos orgánicos. En ellas, inicialmente el grafeno se utilizó para remplazar al FTO de los fotoánodos, pero con el tiempo se identificaron ventajas adicionales en los siguientes componentes:

1. Fotoánodos: como conductor transparente tanto para el dióxido de titanio (TiO₂) como para la sensibilización de los pigmentos; en los fotoánodos el grafeno puede mejorar la tasa de transporte de carga, evitar la recombinación y aumentar la captación de luz.
2. Contraelectrodos: como sustituto del platino,
3. Como aditivo fotoanódico: para mejorar la transferencia de electrones,
4. Electrodos poliméricos, en los que un polímero (PEDOT-PSS) permite la conductividad, mientras que el grafeno facilita la catálisis.

Fotoánodo: Es el vehículo de electrones desde el pigmento fotoexcitado hasta el circuito externo. Se compone de una capa de dióxido de titanio (TiO₂) sobre un sustrato de vidrio o plástico conductor.

Contraelectrodos:  participan en la inyección de electrones del pigmento fotooxidado en los electrolitos para catalizar las reacciones de reducción.

Celdas solares de Perovskita

La perovskita es un mineral compuesto por óxido de calcio y titanio que desde 2009 se utiliza para la fabricación de celdas solares. En un inicio su eficiencia fue del 3,9% pero en poco tiempo ascendió al 32%. A pesar de su buen desempeño, facilidad de fabricación y versatilidad, las celdas solares de Perovskita tienen dos importantes desventajas. La primera es una fácil degradación ante la intemperie y la segunda, una toxicidad relacionada con la presencia de plomo que, naturalmente conlleva preocupaciones para la salud humana y ambiental. Es entonces que los esfuerzos para contrarrestar dichos inconvenientes se han enfocado, por un lado, en modificar químicamente al mineral y por otro, en encapsularlo para protegerlo de las condiciones externas.

Así como ocurre con otros tipos de celdas, también se ha identificado que la presencia de grafeno o de su variante reducida dentro de las capas fotoactivas (HTL/ETL) de las celdas de perovskita puede mejorar aún más su eficiencia entre un 14 y 28%. Esto se debe a que el grafeno al ser un material ambipolar, es decir, que puede mover las cargas en distintas direcciones, puede ayudar a equilibrar la función trabajo – conductividad, agilizar la extracción de electrones y mejorar la estabilidad a la intemperie.

Claramente y como se ha mencionado con anterioridad, la funcionalización o dopaje del grafeno juega un papel importante para mejorar el desempeño de los componentes de las celdas solares. En el caso de las celdas de perovskita, es útil la funcionalización con nanopartículas metálicas, óxidos metálicos y o nanopartículas de perovskita, no solo para mejorar la estabilidad del grafeno sino para incrementar la superficie de área y la conductividad eléctrica en todo el sistema.

Si bien es un hecho que las celdas solares con grafeno aún no se encuentran comercialmente disponibles, ya se tienen algunos avances reportados en esta vía.  El primero de ellos es la serie G12 Evolution de la compañía Znshine Solar, compuesta por tres módulos de grafeno y que, en 2018, ganó un concurso para proporcionar 37.5 MW de módulos a Bharat Heavy Electricals Limited (BHEL), el mayor fabricante de equipos de generación de energía de la India. Según el contrato, el 10% del envío fue de paneles solares recubiertos de grafeno. Posteriormente, en 2019, la compañía firmó un contrato con los Servicios de Energía Etihad de los Emiratos Árabes Unidos para el suministro de 100MW.

Por último, a finales de 2024 las empresas austalianas Halocell energy y First Graphene anunciaron una alianza para un proyecto de dos años para la fabricación de celdas solares de perovskita con grafeno. El objetivo fue acelerar el proceso de fabricación, mejorar el rendimiento de captación de luz y de esa manera ampliar la producción y satisfacer la demanda comercial. De acuerdo con la información publicada los módulos de perovskita con grafeno son hasta cinco veces más eficientes y rentables que las celdas de silicio comunes.

Bibliografía

1. Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions for Their Development Materials 2022, 15, 5542;
2. Recent Advancements in Applications of Graphene to Attain Next-Level Solar Cells. C 2023, 9, 70;
3. Rational and key strategies toward enhancing the performance of graphene/silicon solar cells. Mater. Adv., 2023, 4, 1876;
4. Recent Applications of Graphene in Dye-sensitized Solar Cells. Current Opinion in Colloid & Interface Science 20 (2015) 406
5. Recent advances of graphene-based materials in planar perovskite solar cells. Next Nanotechnology 5 (2024) 100061;
6. https://www.halocell.energy/news-posts/first-graphene-to-supply-halocells-indoor-perovskite-solar-cell-production-line;%20%0b
7. https://www.graphene-info.com/graphene-solar-panels