Desarrollan células solares de grafeno que producen hasta un 60% de energía

Actualmente en el mercado se pueden encontrar para consumo domestico células solares con una eficiencia que oscila entre el 20% y el 25%, fabricadas en su mayoría con arseniuro de galio o silicio ya sean policristalinas o monocristalinas, tasas de absorción realmente bajas que impide que la tecnología se implante masivamente. 

Los fabricantes son conscientes de que el reto para que la tecnología solar pase de ser una alternativa a los combustibles fosiles, a convertirse definitivamente en la piedra angular que sustituya la dependencia de los derivados del petroleo, pasa por desarrollar polimeros con los que fabricar celdas solares que aprovechen lo máximo posible el rango de luz emitido por el espectro solar. 

Entre las diferentes propuestas para corregir este déficit y tras varios lustros de investigaciones infructuosas, la aparición en escena del grafeno parece que puede propiciar nuevos e importantes avances en el aumento de captación de radiación solar y por  tanto en la producción de energía solar.

El equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona España, dirigido por ingeniero Frank Koppens ha demostrado que el grafeno podría resultar mucho más eficaz a la hora de transformar la luz en energía. En el estudio se observo que a diferencia de silicio, que genera sólo una corriente de electrones de conducción para cada fotón que absorbe, el grafeno puede producir múltiples electrones.

Aunque la aplicación del grafeno en las células solares es sólo teórico, el potencial  indica el estudio es notable, las células solares hechas con grafeno han alcanzado hasta 60% de eficiencia, mas de el doble de la máxima eficiencia obtenido con las células actuales. 

Publicado en el ultimo numero de Nature Physics este nuevo nuevo estudio muestra un "concepto muy importante", ya que los dispositivos futuros dependerán de la comprensión de los procesos físicos que se producen cuando el grafeno absorbe la luz.

Aunque por el momento los resultados de este estudio se podrían aplicar al desarrollo de sensores de imagen para cámaras, sensores médicos, y óptica de visión nocturna. El grafeno debido a sus característica posee  propiedades ópticas como material fotovoltaico. 

Pudiendo trabajar con cualquier longitud de onda posible, no existiendo ningún otro material en el mundo con este comportamiento, además de ser flexible, robusto y relativamente, es sencillo de integrar con otros materiales.

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Crean pilas híbridas destinadas a la producción de energía cinética

Energía y movimiento son dos conceptos que pese a complementarse, en términos prácticos este mecanismo productor de energía ha sido muy poco aprovechado. Aunque existen numerosos proyectos que tratan de aprovechar la enorme capacidad de la piezoelectricidad para generar electricidad utilizando la energía que cinéticamente genera un organismo en movimiento.

Recientemente, los investigadores del Georgia Institute of Technology han creado lo que ellos creen es un método más eficiente. Ellos han desarrollado una célula de energía de auto-carga que convierte directamente la energía mecánica en energía química. La célula almacena la potencia hasta que se libera como una corriente eléctrica. 

Mediante la creación de una célula híbrida generador-almacenamiento, se han eliminado la necesidad de emplear sistemas que utilizan una batería independiente del generador, reduciendo la cantidad de peso y espacio que normalmente se requiere para acomodar dispositivos que generen, almacenen y suministren la energía cinética.

El estudio dirigido por Zhong Lin Wang, profesor regente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia, afirma que el sistema de carga se acumula en ciertos materiales sólidos con características piezoeléctricas, conducen los iones de litio de un lado de la célula cuando la membrana se deforma por el estrés.

Mediante el aprovechamiento de una fuerza de compresión (cinética), tal como un talón del zapato golpeando sobre un material (piezoeléctrico) el pavimento, la célula de genera suficiente corriente para alimentar una pequeña calculadora. 

Una celda de potencia híbrida del tamaño de una pila botón convencional puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos - y podría tener aplicaciones militares para los soldados que podría algún día el equipo de recarga de baterías mientras caminaban.

La célula de potencia consta de un cátodo hecho de litio-óxido de cobalto (LiCoO2) y un ánodo compuesto de dióxido de titanio (TiO2) nanotubos cultivados sobre una película de titanio. Los dos electrodos están separados por una membrana hecha de poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF), que genera una carga piezoeléctrica cuando se somete a tensión. 

Cuando la célula de potencia se comprime mecánicamente, la película de PVDF genera un potencial piezoeléctrico que sirve como una bomba de carga para conducir los iones de litio del lado del cátodo al lado del ánodo. La energía se almacena en el ánodo como el óxido de litio-titanio. 

Hasta el momento, Wang y su equipo de investigación, han construido y probado más de 500 de las células de energía. Wang estima que la celda híbrida será tanto como cinco veces más eficiente en la conversión de energía mecánica en energía química que un generador y una batería por separado. 

El sistema podría ser utilizado para convertir la energía mecánica que se produce al caminar, de la que generan los neumáticos de un vehículo, a partir de las olas del mar cuando golpean en la costa o de las vibraciones mecánicas producidas por multitud de objetos.

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Células solares fabricadas con virus modificadas

Una de las características positiva que presentan las energías renovables, es que es una tecnología que ofrece múltiples posibilidades de obtener energía de forma limpia y barata, criterio que se puede trasladar al terreno de la investigación. Donde las combinaciones muestran escenarios que casi superan las tramas de los relatos mas arriesgados de ciencia ficción. 

¿Os imaginais que un día se comercialicen placas solares con elementos orgánicos?. Desarrollado por los estudiantes del  Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) Hyunjung Yi y Xiangnan Dang, coordinados por la profesora Angela Belcher han conseguido desarrollar un sistema fotovoltaico híbrido compuesto por grafeno y un virus modificado.

Los investigadores han utilizado un virus modificado genéticamente para producir estructuras que mejoran la eficacia de la célula solar en alrededor de un tercio, encontrando una manera de hacer mejoras significativas en la eficiencia de conversión de energía de las células solares utilizando un virus diminuto para realizar trabajos de montaje detallado a nivel microscópico. 

Utilizando una versión genéticamente manipulada de un virus llamado M13 podido controlar la disposición de los nanotubos de carbono adheridas a estructuras de carbono, que conforman las células solares de modo que el transporte de electrones sea más eficiente y por tanto se produzca más electricidad en una superficie, mantenimiento de los tubos separados.

Los fotones solares golpean un material captador de luz en una célula solar, que libera electrones que pueden producir una corriente eléctrica. La investigación de este nuevo estudio se basa en los hallazgos de que los nanotubos de carbono pueden mejorar la eficiencia de captura de electrones de la superficie de una célula solar.

Lo que han observado los investigadores es como el virus M13 realiza una función reguladoras evitando la fricción de los dos tipos de nanotubos (los semiconductores y los cables) que conforman la estructura de las celdas solares,  facilitando el ciclo semiconductor de los electrones, experimentando un aumento de la eficiencia de hasta un 30 por ciento, del 8 al 10,6 por ciento.

Los virus en realidad realizan dos funciones diferentes en este proceso. En primer lugar, poseen proteínas cortas llamadas péptidos que pueden unirse fuertemente a los nanotubos de carbono, manteniéndolas separadas entre sí. En segundo lugar cada virus controla entre cinco y diez nanotubos, usando unas 300 proteínas.

Además, el virus se ha diseñado para producir un recubrimiento de dióxido de titanio (TiO2), un ingrediente clave para el tinte de las células solares sensibilizadas, sobre cada uno de los nanotubos, poniendo el dióxido de titanio en las proximidades de los nanotubos transportando los electrones.


La investigación  financiada por la compañía italiana Eni, a través de MIT Energy Initiative’s Solar Futures Program. El equipo que utilizo anteriormente versiones modificadas del mismo virus para mejorar el rendimiento de las células, sin embargo el método utilizado para mejorar el rendimiento de la célula solar es el mismo, reduciendo los costes de fabricación y producción de energía. 

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GraphExeter, material basado en el grafeno que podría revolucionar la industria de la electrónica

Desde que se descubrieron las increíbles cualidades del grafeno como material semiconductor, además de su gran flexibilidad y resistencia, las noticias sobre sus posibles aplicaciones son casi infinitas. En un estudio publicado por Advanced Materials, de una investigación dirigida por los doctores Monica Craciun y Saverio Russo de la Universidad de Exeter en el Reino Unido, muestran los resultados de lo que han bautizado como GraphExeter, un nuevo material basado en el grafeno podría revolucionar la industria de la electrónica.

El material más transparente, ligero y flexible  para la conducción de electricidad, podría revolucionar la creación de dispositivos electrónicos portátiles, como ordenadores, teléfonos, tejidos inteligentes y reproductores MP3. GraphExeter también podría ser utilizado para la creación de espejos o ventanas con propiedades energéticas, y características interactivas. Dado que este material es también transparente sobre un amplio espectro de la luz, se podría mejorar en más de un 30% la eficiencia de paneles solares.

Adaptado de grafeno, GraphExeter es mucho más flexible que el óxido de estaño e indio (ITO), el material conductor principal actualmente en la fabricación de componentes electrónicos. El ITO es cada vez más caro y es un recurso finito, cuyas reservas se pronostica que se agoten en el año 2017. 

Con tan sólo un átomo de grosor, el grafeno es el más delgado de los materiales conocidos, capaz de conducir electricidad. Es muy flexible y es uno de los materiales más resistentes existentes. La carrera se ha centrado en adaptar el grafeno para la electrónica flexible. Este ha sido un desafío debido a su resistencia a la hoja, lo que limita su conductividad. Hasta ahora, nadie ha sido capaz de producir una alternativa viable a la ITO. Para crear GraphExeter, el equipo de Exeter intercalado moléculas de cloruro férrico entre dos capas de grafeno. El cloruro férrico mejora la conductividad eléctrica de grafeno, sin afectar a la transparencia del material.

La primera aplicación en la que están trabajando los científicos es en el desarrollo de un spray-en versión de GraphExeter, que podría ser aplicado directamente sobre las telas, espejos y ventanas. Funciona mejor que cualquier otro semiconductor basado en carbono, y podría ser utilizado para una amplia gama de aplicaciones.

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Descubierta una variante del grafeno con la que poder acelerar el desarrollo de semiconductores

No hay duda de que el silicio como material ha revolucionado el mundo en que vivimos y ha sido la razón de muchos de los logros y los avances tecnológicos. Los transistores de silicio basados ​​son la clave para todos los chips de computadoras y los procesadores de teléfonos inteligentes que vemos hoy. En nuestra búsqueda de mejores y más rápidos los dispositivos electrónicos, nos hizo tropezar con el silicio y ahora lo han llevado a su extremo absoluto en términos de rendimiento y tamaño. Los dispositivos de silicio basados  no se puede conseguir más pequeños de lo que son ahora y los investigadores se han movido en la dirección de el grafeno como material potencial con el que conseguir tecnologías mas avanzadas.



El grafeno se basa en una sola capa de átomos de carbono que se organizan en una estructura de panal, en un intento de sintetizar los semiconductores y componentes de circuitos que se utilizan. Un equipo de científicos de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee (UW-M) en Estados Unidos, dirigidos por Junhong Chen (ingeniería  mecánica) y Marija Gajdardziska (física) tropezó con el  Monóxido de grafeno como posible solución para desarrollar semiconductores. El descubrimiento que se realizo de forma accidental, ya que estaban tratando de obtener puras hojas de grafeno a partir de su investigación a partir de óxido de grafeno. El calentamiento de óxido de grafeno a diferentes temperaturas produjo cuatro sustancias diferentes que el equipo bautizo como el grafeno de monóxido de carbono (OGM).

El recién descubierto OMG exhibió diversas propiedades que permitió al equipo concluir que puede ser utilizado como un material semiconductor. Como OMG está formada en hojas, puede incluso utilizarse como un catalizador de superficie y el equipo que descubrió esta estructura única de OMG, piensa que sus propiedades semiconductoras son la esperanza para sintetizar semiconductores en un futuro.

El monóxido de grafeno es un descubrimiento reciente y tardara mucho tiempo, hasta que los investigadores comprendan todo su potencial. El equipo admite que todavía tienen que probar cómo responde OGM a diferentes temperaturas y cuan estable puede estar en condiciones reales de trabajo. La comprensión de cómo el calor afecta el monóxido de grafeno es el siguiente gran paso hacia adelante en esta investigación.

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Paneles solares fabricados con puntos cuánticos obtienen hasta 48% de energía, doblando la producción actual

Los resultados recientes de dos investigaciónes realizados por científicos pertenecientes al National Renewable Energy Laboratory (NREL)y a la Universidad de Texas en Austinen Estados Unidos han corroborado los prometedores resultados por el equipo del Instituto Kavil de Nanociencia de TU Delft en Holanda, y que lleva trabajando desde 2.008 en el desarrollo de la tercera generación de células solares, las denominadas células solares cuánticas, que elevan el ratio de aprovechamiento de radiación solar hasta el 48%, cuando en la actualidad con el modelo basado en silicio, oscila entre el 15% y el 21%.

Las células solares basadas en silicio solo poseen la capacidad para excitar un electrón por cada fotón capturado de la radiación solar irradiada, por lo que la cantidad que se pierde es mucha, mientras que en una celda de punto cuántico solar, puede con  una partícula de luz puede excitar varios electrones. Cuanta mas elevado es el nivel de estres al que se somete a los electrones, mayor será la eficiencia de la célula solar.

La linea de investigación que  explota nuevos fenómenos de la mecánica cuántica en las estructuras a escala nanométrica.  En la actualidad se centra en anillos superconductores, los puntos cuánticos, nanocables, nanotubos de carbono, el diamante, y el grafeno. Aplicados a estos dispositivos para controlar el comportamiento cuántico en el nivel de giros y fotones individuales, con la posibilidad de avances fundamentales en el desarrollo de paneles mas económicos y  eficientes energeticamente, aprovechado mejor las propiedades de la energía solar.

Los investigadores del Kavil de Nanociencia de TU Delft  en los Países Bajos han demostrado que los electrones pueden moverse libremente en las capas de nanopartículas semiconductoras vinculados bajo la influencia de la luz en un avance reduce las perdidas de energía que se producen con las celdas fabricadas con silicio cristalino.

Por otra parte, el equipo de la Universidad de Texas en Austin, ha desarrollado un material semiconductor de plástico capaz de duplicar el número de electrones producidos a partir de un fotón de luz. La captura de "electrones calientes" que normalmente se pierde como calor residual, se recupera obteniendo una eficiencia del 44 por ciento, mucho más allá de límite teórico actual de 31 por ciento, de acuerdo con el químico Xiaoyang Zhu que ha presentado el informe y redactado el estudio.


Según Matt Beard, científico senior y autor del artículo publicado en Science sobre el tema,

se está trabajando para sacar provecho de un fenómeno conocido como Multiple Exciton Generation (MEG), donde un fotón de una célula solar puede generar más de un electrón. La utilización de este proceso podría permitir a los científicos crear materiales capaces de  extraer energía útil a partir de fotones de alta energía en el rango de luz violeta y ultravioleta del espectro.

El desarrollo de pequeños cristales de unos pocos nanómetros de tamaño, capaces de capturar fotones de alta energía que las células solares de hoy en día no lo hacen.  creando a partir  de tecnología basada en procesos electrónicos MEG obteniendo celdas  múltiples de pentaceno, un semiconductor de plástico que podría conducir a células solares baratas. 

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Desarrollan el primer transistor de grafeno a una frecuencia de 100 GHz destinado al desarrollo de dispositivos inalámbricos

La nanotecnología es una tecnología que permite y de la que se espera avances en diferentes campos. Estos incluyen materiales funcionales avanzados, sensores, herramientas, asistencia sanitaria, bio-análisis, purificación agua, tecnología de la energía, y más. Los científicos de IBM aplican su experiencia nanociencia a los problemas fuera de la nanoelectrónica y ayudan a abordan algunos de los mayores desafíos de nuestro tiempo, como el uso más eficiente de la energía solar, y nuevas formas de purificación o desalinización de agua.

Investigadores perteneciente  al Binnig y Rohrer Centro de Nanotecnología de IBM en Zurich (Suiza) han logrado desarrollar el primer transistor en cuya fabricacion se ha empleado grafeno, destinado al desarrollo de dispositivos inalámbricos. En un artículo publicado ayer en la revista Science, investigadores de IBM anunció el primer semiconductor de grafeno integrado en una oblea de silicio a escala nanotecnologicata,  soportando una frecuencia de funcionamiento de hasta 10 gigahertz (10 mil millones de ciclos por segundo). y temperaturas proximas a los 125 ºC, cifras muy por encima de las presentadas por el mismo equipo en Diciembre de 2.010. cuando IBM anunció que ha descubierto una nueva forma de crear chips integrando en la misma pieza de silicio equipos ópticos y eléctricos, lo que permite a los chips comunicarse usando pulsos de luz en lugar de señales eléctricas.

Diseñado pensando en las comunicaciones inalámbricas, este grafeno basados ​​en circuitos integrados analógicos podrían mejorar los dispositivos inalámbricos de hoy y apunta a la posibilidad de un nuevo conjunto de aplicaciones. En las frecuencias convencionales de hoy en día, las señales de teléfono celular y el transceptor se puede mejorar, permitiendo potencialmente a los teléfonos para trabajar donde no pueden hoy en día, mientras que, a frecuencias mucho más altas, los militares y el personal médico pudo ver armas ocultas o la conducta de imágenes médicas sin los peligros de la radiación misma rayos-X.

El grafeno, es el material electrónico más delgado, consiste en una sola capa de átomos de carbono embalado en una estructura de nido de abeja, posee excelentes propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas que podrían hacer que sea menos costoso y precise menos consumo de energía dentro de dispositivos electrónicos portátiles como los teléfonos inteligentes.

A pesar de importantes avances científicos en la comprensión de este nuevo material y la demostración de los dispositivos de alto rendimiento basados ​​en el grafeno, el desafío de los transistores de grafeno es integrarse con otros componentes en un solo chip, debido principalmente a una mala adherencia de grafeno con metales y óxidos y la falta de sistemas de fabricación fiable para producir dispositivos y circuitos reproducibles.

Este nuevo circuito integrado, que consiste en un transistor de grafeno y un par de bobinas compacta integrada en una oblea de carburo de silicio (SiC), superan los obstáculos de diseño mediante el desarrollo de procedimientos de fabricación de obleas a escala nano, que mantienen la calidad del grafeno y, al mismo tiempo, permiten su integración con otros componentes en un circuito complejo.

¿Cómo funciona?

El grafeno es sintetizada por tratamiento térmico de las obleas de carburo de silicio para formar capas de grafeno uniforme en la superficie de carburo de silicio. La fabricación de los circuitos de grafeno consta de cuatro capas de metal y dos capas de óxido que forman parte de lo transistores de grafeno, inducidos en chip y las interconexiones.

El circuito funciona como un alternador de frecuencia de banda ancha, que produce señales de salida con frecuencias mixtas (suma y la diferencia) de las señales de entrada. Los alternadores son componentes fundamentales de muchos sistemas de comunicación electrónica. Frecuencia de muestreo de hasta 10 GHz y la estabilidad termal excelente de hasta 125 ° C se ha demostrado con el circuito integrado de grafeno.

El esquema de fabricación desarrollados también se puede aplicar a otros tipos de grafeno, incluidos los vapores químicos depositados (ECV) películas de grafeno sintetizado en las películas de metal, y también son compatibles con la litografía óptica para reducir el coste y  aumentar el rendimiento.

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Un papel de grafeno mas resistente y flexible que el acero

El equipo liderado por Ali Reza Ranjbartoreh perteneciente a la Universidad Tecnologica de Australia, ha presentado un innovador material desarrollado a base de laminas de grafito a escala de un átomo prensadas. El resultado son laminas del grosor del papel de grafeno, este material presenta entre sus  propiedades muestra un grado de resistencia en relación al acero dos veces superior. Debido a esta combinacion de flexibilidad y resistencia, ofrece un increíble potencial para su aplicacion en industrias como, automotriz, aviación, industria eléctrica y óptica.

Estas nanoestructuras de grafeno consisten en monocapas de celosías hexagonales de carbono que se colocan en estructuras laminares perfectamente organizadas, que les confieren excelentes propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas.  El papel de grafeno es un material que puede ser procesado, remodelado y reformado desde su estado original en forma de materias primas - grafito. Investigadores de la UTS han elaborado con éxito el grafito mediante la purificación y filtrado con ayuda de productos químicos, obteniendo configuraciones nanoestructurados que luego son procesados ​​en hojas tan finas como el papel.

El uso de un método de síntesis y de tratamiento térmico, los investigadores consiguieron producir un material que presentaba una extraordinaria flexibilidad, lo que le confiere la capacidad de adaptarse a múltiples procesos industriales. En comparación con el acero, el papel de grafeno es seis veces más ligero, presenta de cinco a seis veces menor densidad, como ya hemos citado dos veces más resistente que el acero, siendo 10 veces mayor resistente a la tracción mecánica.

No sólo es más ligero, más resistente y más flexible que el acero también es un producto manufacturable reciclable y sostenible que es respetuoso con el medio ambiente y por lo tanto rentable economicamente en su proceso de tratamiento. Los resultados prometen grandes beneficios para la aplicaciones de papel grafeno en la industria del automóvil y la aviación, lo que permite el desarrollo de automóviles más ligeros y  seguros, y aviones que utilizan menos combustible, generan menos contaminación, son más  rentables y más sostenibles ecológicamente.

Este avance ya tiene pretendientes como Boeing,  que ya esta ensamblando modelos de avión,  que ya ha comenzado a sustituir a los metales con fibras de carbono y los materiales basados ​​en carbono, y el papel de grafeno con sus propiedades mecánicas incomparable sería el siguiente material para que puedan explorar.

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