Cuando Mike Arnold piensa en la energía solar, piensa en grande, como en los "más de cien millones de billones de vatios de luz solar que la Tierra recibe continuamente". Pero también piensa muy, muy pequeña, explorar cómo un nanomaterial basado en carbono de una milmillonésima parte de un metro de espesor podría reducir drásticamente el precio de producir electricidad con células solares.

Arnold, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UW-Madison, lidera un equipo de investigación que se centra en el estudio de materiales electrónicos avanzados para la energía solar fotovoltaica (PV), almacen de energia, y electrónica de semiconductores. Desarrollar materiales que puedan reducir el costo de la energía fotovoltaica es la pasión y el objetivo principal de su equipo.

"Todos estamos familiarizados con las ventajas de la energía solar, "Arnold explica." Luz solar abundante, sin emisiones, sin partes móviles, ningun ruido, y fácil transporte, pero eso deja a mucha gente preguntándose por qué todavía tenemos plantas de carbón y no tenemos paneles solares en todos los tejados. Y la respuesta es definitivamente 'costo'. Aunque los precios de la producción de energía solar han caído drásticamente en las últimas dos décadas, todavía no hemos llegado al punto en el que la energía fotovoltaica pueda competir económicamente ".

La energía fotovoltaica se crea cuando los fotones, o paquetes de luz del sol, viajan los casi 93 millones de millas hasta la Tierra y chocan contra una célula solar. Cuando el material semiconductor de una célula solar absorbe la luz solar, se genera una carga eléctrica. Entonces es el trabajo de la celda solar separar la carga de modo que su componente positivo vaya a un lado de la celda solar y su componente negativo al otro. produciendo así una corriente eléctrica. Estas células solares se agrupan en módulos, y estos módulos se agrupan en los paneles que vemos en los tejados y en los campos solares.

"La eficiencia del 25% de las células solares de silicio es bastante buena, ", Dice Arnold." Es el precio del silicio como materia prima y el alto costo de procesamiento lo que hace que sea difícil reducir el costo de la energía fotovoltaica. Lo que necesitamos son células que sean igual de eficientes pero mucho más baratas de fabricar ".

Algunos materiales fotovoltaicos alternativos de "segunda generación", como las células solares de película fina, están siendo explorados por la industria e incluso han sido comercializados. Pero el precio de la energía solar sigue siendo alto con estas tecnologías, y el foco de la mayor parte de la investigación fotovoltaica está ahora en los llamados nanomateriales de "tercera generación", como los estudiados en el laboratorio de Arnold. "Nano" se refiere al tamaño notablemente pequeño de estos materiales; un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro.

El enfoque de Arnold es comenzar con materiales muy económicos que, en principio, podrían convertirse en células solares y luego idear una forma de hacerlas funcionar. En la actualidad, El equipo de Arnold se centra en nanomateriales basados ​​en carbono llamados grafeno y nanotubos de carbono. Estos nanomateriales se sintetizan en el laboratorio mediante un proceso llamado deposición química de vapor, en el que los hidrocarburos (gases como el metano (CH4) y el etileno (C2H4)) se convierten en carbono puro.

En la producción de grafeno, Los hidrocarburos reaccionan entre sí en un sustrato plano donde emiten gas hidrógeno (H2) como subproducto y forman grafeno (C puro) en el sustrato. De este modo, los sustratos grandes se pueden recubrir con continuo, láminas de grafeno atómicamente delgadas. Para producir un nanotubo de carbono, las reacciones de hidrocarburos tienen lugar en el extremo de una nanopartícula esférica en lugar de un sustrato plano, formando un cilindro.

El resultado final son nanomateriales que no están compuestos de moléculas en absoluto, pero están construidos a partir de una sola capa de átomos.

"Estos materiales son tan delgados como puedas imaginar ... realmente no puedes hacer nada más delgado, "Arnold explica, facilitando la comprensión de por qué la comunidad científica a veces se refiere a estos materiales como "2D".

"Cuando llegamos a esta única capa de átomos en el grafeno y los nanotubos de carbono, "Arnold dice, "son algunos de los mejores conductores eléctricos que hemos descubierto y sus propiedades electrónicas son mucho más fáciles de controlar. Son poderosos absorbentes de luz, relativamente estable, fácil de sintetizar, y económico ya que el carbono es muy abundante ".

El equipo de Arnold está explorando actualmente el uso de hojas de grafeno y nanotubos de carbono en células solares. Para un proyecto, su equipo está creando nanotubos de carbono con diferentes diámetros que absorben diferentes longitudes de onda de luz; en una celda solar, esta variedad de diámetros podría ayudar a aumentar la absorción de luz en general.

"Potencialmente podemos aprovechar el poder de mucha más luz variando el diámetro de los nanotubos, "Arnold explica, "todos los colores del arco iris, así como los de los espectros que no podemos ver".

Arnold se compromete a explorar el potencial de los nanomateriales basados ​​en carbono como una forma económica de aprovechar el tremendo poder del sol. y transformar el campo de la energía solar.

"Estamos trabajando duro para comprender mejor sus propiedades y probarlas en células solares reales de muchas formas diferentes. Sentimos que nuestra investigación actual nos está acercando al día en que realmente veremos paneles solares en cada tejado".