Crear y controlar la luz mediante grafeno gracias a investigadores españoles

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20 Mar, 2024

En 2014, un equipo de investigadores del Centro de Investigación Cooperativa en Nanociencias (CIC nanoGUNE) logró un avance significativo en el campo de la tecnología óptica al desarrollar una plataforma basada en antenas que permitía manipular y controlar la luz mediante grafeno. Este descubrimiento abrió nuevas posibilidades para la creación de dispositivos y circuitos fotónicos altamente miniaturizados y eficientes.

En este sentido, la capacidad de enfocar, curvar y manipular la luz a nivel nanométrico abrió un vasto campo de posibilidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos extremadamente pequeños y rápidos. Los mismos tendrían aplicaciones potenciales en el procesamiento de señales, la computación y otras áreas de la tecnología óptica avanzada. El grafeno, con su singular estructura y propiedades excepcionales, se perfila como un material clave para la próxima generación de dispositivos tecnológicos innovadores.

Controlar la luz mediante grafeno, ¿cómo llegamos a esto?

Ciertamente, el grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una configuración hexagonal, es conocido por sus propiedades extraordinarias. Muy pronto, gracias a estas capacidades, será posible mejorar la próxima generación de dispositivos de producción y almacenamiento de energía. Su estructura bidimensional, similar a un panal de abejas, le otorga características sorprendentes: es un material superconductor, increíblemente duro, ligero y resistente.

Teniendo esto en cuenta, el equipo de investigadores de nanoGUNE, en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y Graphenea, propuso una plataforma tecnológica basada en antenas metálicas para capturar y controlar la luz mediante grafeno. Luego, tras varios experimentos, demostraron que la luz guiada en el grafeno, extremadamente confinada en él, podía ser dirigida y curvada, siguiendo los principios de la óptica convencional. Este descubrimiento abrió la puerta a circuitos y dispositivos fotónicos más pequeños y rápidos que podrían revolucionar el procesamiento de señales y la computación.

La clave para este avance radica en la propiedad única del grafeno de reducir considerablemente la longitud de onda de la luz capturada. De hecho, tal reducción puede darse en un factor de 10 a 100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Esta luz, denominada «plasmón del grafeno«, requiere mucho menos espacio debido a esta compresión de longitud de onda. No obstante, el desafío residía en transformar eficientemente la luz en plasmones del grafeno y manipularlos con un dispositivo compacto.

Antenas para controlar la luz mediante grafeno

Los investigadores, cuyas instituciones de origen pertenecen al Grafene Flagship de la Unión Europea, encontraron una solución prometedora utilizando el concepto de antenas ópticas resonantes. Cabe destacar que este último es comúnmente empleado en el ámbito de las ondas de radio, en el cual colocaron una pequeña barra de metal sobre el grafeno, actuando como una antena para la luz. De esta manera, transformaron la luz infrarroja en plasmones de grafeno. Esta técnica permitió el control directo de los plasmones ajustando la geometría de las antenas, lo que resultó fundamental para el desarrollo de aplicaciones ópticas basadas en el enfoque y guía de la luz. ¡Controlar la luz mediante grafeno ya era una realidad! A continuación, los científicos debían probar si la propagación de la luz a lo largo de una capa de grafeno seguía las leyes de la óptica convencional. En función de esto, diseñaron experimentos para enfocar y refractar la luz, y los resultados fueron sorprendentes. Al curvar la antena, los plasmones de grafeno se concentraron a una distancia específica, de manera similar a como se enfoca la luz con una lente o espejo cóncavo.

Además, los investigadores observaron que los plasmones cambiaban de dirección al pasar a través de una doble capa de grafeno en forma de prisma. Fenómeno similar a la flexión de la luz al atravesar un prisma de cristal. ¿Cuál era la diferencia? Que el prisma de grafeno tenía solo dos átomos de espesor, siendo el prisma óptico refractor más delgado conocido hasta ese momento. Esta propiedad podría ser explotada en el futuro para aplicaciones de guía de luz y refracción altamente eficientes mediante la manipulación electrónica de la conductividad en el grafeno.

De controlar la luz mediante grafeno a fabricar paneles solares con grafeno

Desde sus inicios en 2014, las investigaciones sobre el grafeno han ido avanzando constantemente. Controlar la luz mediante grafeno solo fue el principio. En 2019, ocurrió un importante hito con la llegada de la innovadora tecnología solar basada en este formidable material.

La empresa europea Freevolt desarrolló la tecnología PV Graph, que utiliza una combinación de celda híbrida que fusiona la tecnología de película delgada y la tecnología de silicio cristalino. Los resultados son impresionantes, con módulos que poseen un 50% más de eficiencia, mayor durabilidad y resistencia ante microdaños. Incluso, si sufren alguna ruptura, siguen funcionando con una pérdida de productividad prácticamente nula.

Recientemente, una Evaluación de Desempeño realizada por la Comisión de Energía de California muestra que esta tecnología alcanzó una producción de 311 vatios bajo condiciones de prueba, superando los 300 W de potencia.

Por cierto, la principal ventaja del PV Graph radica en su arquitectura modificada. Esta condición le permite una conversión directa de la energía solar capturada en energía eléctrica utilizable. Esto se traduce en una eficiencia de hasta 100%, evitando las pérdidas que se generan en los módulos fotovoltaicos tradicionales, especialmente por microgrietas y sombras.

El grafeno demuestra ser altamente sensible tanto a la luz dispersa como a la luz de baja intensidad, garantizando que incluso las celdas sombreadas no afecten la productividad del resto del módulo activo, un problema que afecta a la tecnología convencional.

Asimismo, su proceso de fabricación a baja temperatura reduce los daños inadvertidos durante la producción e instalación, evitando grietas en las células de silicio y alargando significativamente la vida útil de los módulos, lo que se traduce en ahorros en los costes de producción a largo plazo.

Las investigaciones continúan

Pero las investigaciones no se detienen ahí. Actualmente, el grafeno se emplea principalmente para mejorar los materiales convencionales utilizados en los paneles solares, como el silicio. Como vimos en el caso anterior, se están logrando importantes aumentos de eficiencia en la conversión de energía solar en electricidad.

En paralelo, se está desarrollando la fabricación de placas solares completamente compuestas por grafeno, lo que promete una eficiencia de conversión aún mayor que las placas tradicionales. Estas placas son más ligeras y resistentes, una ventaja clave al instalarlas en los tejados de las viviendas.

El proceso de fabricación de placas solares de grafeno se realiza mediante la deposición química de vapor (CVD), calentando una superficie de sustrato, como una lámina de cobre, y haciendo pasar una mezcla de gases, como metano e hidrógeno, para formar una capa de grafeno. Posteriormente, se puede transferir a un sustrato adecuado para la fabricación de las células solares, como una lámina de vidrio. A propósito de esto, te invitamos a leer nuestro artículo sobre los paneles solares transparentes.

Pero aún hay mucho que esperar de estas investigaciones que iniciaron con la posibilidad de controlar la luz mediante grafeno. Gracias a los avances tecnológicos, el grafeno ha encontrado otras aplicaciones en energía solar, incluyendo su integración en composiciones de electrodos para baterías. Estas innovaciones permiten la aparición de nuevas aplicaciones de energía solar y grafeno.

El Instituto Tecnológico de Energías (ITE) también está contribuyendo a la evolución de los materiales poliméricos y carbonosos aplicados al desarrollo de sistemas de generación y almacenamiento energético. Tal iniciativa representa un paso significativo hacia un futuro más sostenible y eficiente en el uso de la energía solar controlada por el grafeno.

En E4e Soluciones seguimos la evolución de las tecnologías aplicadas al autoconsumo

Como empresa de servicios energéticos, especializada en el diseño y desarrollo de instalaciones de autoconsumo fotovoltaico, en E4e Soluciones estamos pendientes de la evolución tecnológica en este ámbito. Al punto que, en un futuro cercano, podríamos estar incluyendo en nuestra oferta los módulos solares híbridos de grafeno y silicio.

De este modo, nos incorporaríamos a los avances que, en principio, permitieron controlar la luz mediante grafeno. Mientras tanto, puedes solicitar nuestra asesoría profesional para planificar e instalar tu sistema de autoconsumo con placas solares, obteniendo el máximo rendimiento y ahorro. ¡Nosotros nos encargamos de todo y atendemos tu proyecto en cualquier parte de España donde te encuentres!

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