Dos moléculas de grafeno (gris oscuro) están enjauladas por grupos laterales (azul) unidos a cada hoja de grafeno. Los grupos laterales ayudan a evitar que las hojas de grafeno se apilen, como son propensos a hacer. Crédito:Imagen de Liang-shi Li
Para hacer que grandes hojas de carbón estén disponibles para la recolección de luz, Los químicos de la Universidad de Indiana en Bloomington han ideado una solución inusual:unir lo que equivale a un parche de zarza en 3-D a cada lado de la hoja de carbón. Usando ese método, los científicos dicen que pudieron disolver láminas que contenían hasta 168 átomos de carbono, una primera.
El informe de los científicos, en línea hoy (9 de abril), aparecerá en un número futuro de Nano letras , una revista de la American Chemical Society.
"Nuestro interés surge de querer encontrar una alternativa, material fácilmente disponible que puede absorber la luz solar de manera eficiente, "dijo el químico Liang-shi Li, quien dirigió la investigación. "Por el momento, los materiales más comunes para absorber la luz en las células solares son el silicio y los compuestos que contienen rutenio. Cada uno tiene sus desventajas".
Su principal desventaja es el costo y la disponibilidad a largo plazo. Las células solares basadas en rutenio pueden ser potencialmente más baratas que las basadas en silicio, pero el rutenio es un metal raro en la Tierra, tan raro como el platino, y se agotará rápidamente cuando aumente la demanda.
El carbono es barato y abundante, y en forma de grafeno, capaz de absorber una amplia gama de frecuencias de luz. El grafeno es esencialmente lo mismo que el grafito (mina de lápiz), excepto que el grafeno es una sola hoja de carbono, un átomo de espesor. El grafeno se muestra prometedor como eficaz, barato de producir, y alternativa menos tóxica a otros materiales que se utilizan actualmente en las células solares. Pero también ha molestado a los científicos.
Para que una hoja de grafeno sea de alguna utilidad en la recolección de fotones de luz, la hoja debe ser grande. Para utilizar la energía solar absorbida para generar electricidad, sin embargo, la hoja no puede ser demasiado grande. Desafortunadamente, los científicos encuentran difícil trabajar con grandes hojas de grafeno, y sus tamaños aún más difíciles de controlar. Cuanto más grande es la hoja de grafeno, cuanto más pegajoso es, lo que hace que sea más probable que se atraiga y se adhiera a otras hojas de grafeno. Varias capas de grafeno pueden ser buenas para tomar notas, pero también impiden la electricidad.
Los químicos e ingenieros que experimentan con el grafeno han ideado una gran cantidad de estrategias para mantener separadas las hojas de grafeno individuales. La solución más eficaz antes de la Nano letras el papel ha estado rompiendo el grafito (de arriba hacia abajo) en hojas y envolviendo polímeros alrededor de ellas para aislarlas unas de otras. Pero esto produce láminas de grafeno con tamaños aleatorios que son demasiado grandes para la absorción de luz de las células solares.
Esta es una vista en 2-D de una hoja de grafeno (negro) y grupos laterales adjuntos (azul) que idearon el químico de IU Bloomington Liang-shi Li y sus colaboradores. En realidad, cada grupo lateral gira aproximadamente 90 grados fuera del plano del grafeno. Los tres azules Los hidrocarburos en forma de cola de cada grupo lateral tienen una gran libertad de movimiento, pero es probable que dos se ciernen sobre el grafeno, por lo que es muy poco probable que una hoja de grafeno toque a otra. Crédito:Imagen de Liang-shi Li
Li y sus colaboradores probaron una idea diferente. Al colocar un semirrígido, semi flexibles, grupo lateral tridimensional a los lados del grafeno, pudieron evitar que hojas de grafeno tan grandes como 168 átomos de carbono se adhirieran entre sí. Con este método, podrían fabricar láminas de grafeno a partir de moléculas más pequeñas (de abajo hacia arriba) para que tuvieran un tamaño uniforme. Según el conocimiento de los científicos, es la hoja de grafeno estable más grande jamás fabricada con el enfoque de abajo hacia arriba.
El grupo lateral consta de un anillo de carbono hexagonal y tres largos, colas con púas hechas de carbono e hidrógeno. Debido a que la hoja de grafeno es rígida, el anillo del grupo lateral se ve obligado a girar unos 90 grados con respecto al plano del grafeno. Las tres colas de zarzas son libres de batir, pero dos de ellos tenderán a encerrar la hoja de grafeno a la que están adheridos.
Las colas no actúan simplemente como una jaula, sin embargo. También sirven como asa para el solvente orgánico para que se pueda disolver toda la estructura. Li y sus colegas pudieron disolver 30 mg de la especie por 30 ml de disolvente.
"En este papel, encontramos una nueva forma de hacer que el grafeno sea soluble, "Dijo Li." Esto es tan importante como el tamaño relativamente grande del grafeno en sí ".
Para probar la eficacia de su aceptor de luz de grafeno, los científicos construyeron células solares rudimentarias utilizando dióxido de titanio como aceptor de electrones. Los científicos pudieron lograr una densidad de corriente de 200 microamperios por cm cuadrado y un voltaje de circuito abierto de 0,48 voltios. Las láminas de grafeno absorbieron una cantidad significativa de luz en el rango visible al infrarrojo cercano (200 a 900 nm más o menos) con un pico de absorción a 591 nm.
Los científicos están en el proceso de rediseñar las láminas de grafeno con extremos pegajosos que se unen al dióxido de titanio. lo que mejorará la eficiencia de las células solares.
"Obtener energía del sol es un paso previo, "Dijo Li." Cómo convertir la energía en electricidad es el siguiente. Creemos que hemos tenido un buen comienzo ".
