Con una sorprendente mezcla de nuevos nanomateriales, un grupo de investigadores de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) ha creado las primeras células solares hechas completamente de carbono. Sus componentes fotovoltaicos no producen mucha electricidad, pero a medida que la tecnología se perfeccione, estas células de carbono podrían resultar baratas, imprimibles, flexibles y suficientemente resistentes para soportar ambientes y climas extremos.
El objetivo no es reemplazar las células solares hechas de silicio y otros materiales inorgánicos, indica Zhenan Bao, profesor de ingeniería química en la Universidad de Stanford y director del estudio. Más bien, se trata de crear nuevos segmentos de mercado. "El carbono es uno de los elementos más abundantes en la tierra, y es versátil", indica Bao.
El carbono tiene una notable resistencia: el grafeno, de un átomo de grosor, y los largos y delgados nanotubos de carbono son dos de los materiales más fuertes jamás puestos a prueba. Así que se podrían rociar las paredes de los edificios con componentes fotovoltáicos de carbono, o enrollarlos y llevarlos al desierto. Se pueden imprimir varias formas de carbono para fabricar componentes electrónicos delgados, flexibles, transparentes e incluso elásticos.
Gracias a su versatilidad, el carbono, en una forma u otra, se ha usado para crear todos los componentes de las células solares. Las tres partes principales, un cátodo de nanotubo y un ánodo de grafeno con una capa activa de nanotubos y esferas de fulereno en medio, fueron creadas mediante el uso de impresión o evaporación de tintas.
Hacer que el cátodo funcionara fue la parte más difícil, señala Bao. Los investigadores tuvieron dificultades para crear nanomateriales de carbono que acumularan electrones. Los investigadores de Stanford resolvieron el problema usando un tipo apropiado de nanotubos, a los que aplicaron un tratamiento químico. Este trabajo se describe en la revista ACS Nano.
Los componentes fotovoltaicos creados solo con carbono convierten menos del 1 por ciento de la energía de la luz en electricidad (en comparación, una célula solar de silicio convierte alrededor del 20 por ciento de la luz). Sin embargo, Bao asegura que su grupo trabajó principalmente con materiales poco sofisticados, en los que hicieron pocos ajustes. Atribuye parte del problema a la rugosidad de las películas de carbono, que entorpecen los viajes de las cargas, y señala que debería ser posible suavizarlas si se mejoran los métodos de transformación.
Los nanomateriales de carbono "son materiales todavía relativamente nuevos", indica Bao. "Se ha llevado a cabo una gran cantidad de investigación sobre la forma de controlar sus propiedades y cómo usarlas", añade.
El investigador de IBM en Yorktown y joven innovador de MIT Technology Review en 2011, Fengnian Xia, que no participa en el trabajo, está de acuerdo y señala que las células solares necesitan materiales de partida y procesos de mayor calidad. "La idea es genial y esta es una buena primera demostración, pero no está lista para aplicaciones realistas", indica.
Hay otros grupos de investigación centrados en la creación de mejores materiales de carbono para las capas activas de componentes fotovoltaicos. Según unos cálculos teóricos efectuados por Jeffrey Grossman en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, en EE.UU.), las células solares de carbono deberían ser capaces de llegar al 13 por ciento de eficiencia de conversión.
Para que las células solares de carbono sean comercialmente viables, señala Shenqiang Ren, profesor asistente de química en la Universidad de Kansas (EE.UU.), su eficiencia debe superar el 10 por ciento. El laboratorio de Ren estableció el récord de eficiencia de conversión de las células solares de carbono (equipadas con electrodos metálicos convencionales) en un 1,3 por ciento en septiembre, en un trabajo publicado en ACS Nano. Ese es aproximadamente el rendimiento que tuvieron las primeras células solares de polímero, señala.
Ren está trabajando con científicos de materiales informáticos, entre los que se encuentra Grossman, para diseñar mejores sistemas fotovoltaicos de carbono eligiendo el tipo adecuado de nanomateriales de carbono. Con esta orientación, asegura Ren, su laboratorio ya ha creado células solares de carbono que convierten el 5 por ciento de la energía luminosa en energía eléctrica, y espera llegar aún más alto.