Desarrollan celdas solares orgánicas a base de grafeno

Por sus propiedades de conductividad eléctrica y térmica sin precedentes, el grafeno está siendo analizado alrededor del mundo para ser aplicado en almacenamiento de energía, entre otros muchos usos potenciales.

En México, científicos del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) desarrollan celdas solares orgánicas a base de grafeno para alcanzar, por una parte, una mayor conversión de la energía solar a energía eléctrica y, por otra, una mayor estabilidad estructural de las mismas. A diferencia de las celdas basadas en silicio, las fabricadas con el llamado “material del futuro” pueden ser ligeras, semitransparentes, flexibles y más económicas.

Este proyecto forma parte del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG), cuya sede es el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) en Saltillo, Coahuila, que recientemente fue beneficiado con apoyos para la Consolidación de Laboratorios Nacionales del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

El doctor José Luis Maldonado Rivera, integrante del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del CIO, comparte con la Agencia Informativa Conacyt que desde hace cuatro años en este centro público de investigación trabajan en la obtención de grafeno y variantes, caracterizándolos por medio de distintos métodos ópticos, químicos y espectroscópicos, con el propósito de aplicarlos en celdas solares orgánicas.

El grafeno es una lámina de átomos de carbono con solo uno de espesor (ångströms de espesor), en su estructura los átomos se entrelazan en una red hexagonal similar a un panal de abeja. Es flexible, por lo que puede enrollarse para formar nanotubos, doblarse para crear fullerenos o empaquetarse para constituir grafito.

Este nanomaterial tiene distintas características, por ejemplo, es cien veces más resistente que el acero, es muy buen conductor de electricidad, es más ligero que el aluminio, pero además es muy flexible; tiene una transparencia de casi 98 por ciento y es un excelente conductor térmico.

A partir de su descubrimiento y estudio sistémico en 2004 —por Andre Geim y Konstantin Novoselov, que los hizo merecedores del Premio Nobel de Física en 2010—, se ha revolucionado la industria de la microelectrónica al utilizarse de manera alterna el silicio en computadoras, pantallas táctiles, teléfonos celulares y cámaras fotográficas, entre otras múltiples aplicaciones industriales.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cuál es la participación del CIO en este proyecto?

José Luis Maldonado Rivera (JLMR): Es un proyecto conjunto entre el CIQA, el Centro de investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (Cideteq) y el CIO en torno al Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos, coordinado por el doctor Salvador Fernández Tavizón, investigador del CIQA, y que en esta ocasión recibe adicionales recursos económicos del Conacyt para su etapa de consolidación.

Estamos trabajando en distintas técnicas y variantes de materiales grafénicos para utilizarlo en aplicaciones específicas. Particularmente en el Cideteq, bajo la coordinación del doctor José de Jesús Pérez Bueno, se planea usarlo en prototipos de celdas fotoelectroquímicas. En el CIO, con la coordinación de un servidor, lo estamos aplicando en el desarrollo de celdas solares orgánicas; mientras que en CIQA, trabajan en distintos métodos de obtención del grafeno a partir del grafito.

AIC: ¿Por qué en el CIO han decidido desarrollar celdas solares orgánicas?

JLMR: En el CIO estamos desarrollando, en colaboración con la Universidad de Guanajuato, variantes de grafeno a partir de grafito por distintos métodos.

Lo hemos estado utilizado para dopar la capa activa de las celdas solares orgánicas, que es la que recibe la radiación solar y la absorbe, para que tengamos una mayor conversión de energía solar a energía eléctrica.

Otra variante de grafeno la hemos estado utilizado en capas alternas de las celdas solares, por ejemplo, en la capa colectora de huecos para transporte de cargas positivas. Además se puede aplicar como capa colectora de electrones e incluso como electrodos en las celdas solares, electrodos transparentes o semitransparentes y flexibles, aunque ese proceso no lo hemos realizado aún aquí en el CIO, pero lo tenemos planeado llevar a cabo en un futuro próximo cercano.

La idea es fabricar celdas solares basadas totalmente en materiales grafénicos, en un futuro próximo, dejando atrás las de silicio, debido a que son ligeras, transparentes, flexibles y económicas.

Las celdas fotovoltaicas orgánicas (OPV, por sus siglas en inglés) las hemos estado desarrollando en el GPOM-CIO desde hace diez años, obteniendo resultados muy alentadores: más de 8.3 por ciento de eficiencia, con esto hemos desarrollado prototipos de paneles solares que son capaces de alimentar leds, pequeños motores y hasta para cargar smartphones. Recientemente, en la misma área de celdas solares, dentro del GPOM hemos iniciado estudios, basándonos en nuestra amplia experiencia e infraestructura para el desarrollo de celdas OPV, en celdas híbridas conocidas como perovskitas que en solo seis años han tenido una evolución impresionante, porque se ha logrado casi 13 por ciento de conversión energética en estas estructuras.

AIC: ¿Qué camino seguirán estos trabajos?

JLMR: Una vez que se otorgó el Premio Nobel de Física a los investigadores de la Universidad de Manchester por su descubrimiento, hay un boom en investigaciones.

En México, ya tenemos el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos y cada vez hay más grupos de investigación trabajando con estos materiales. Más allá del CIQA, el Cideteq y el CIO, trabajan en este material para distintos usos el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (Cimav), el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav), unidad Mérida, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), un grupo de la Universidad de Sonora (Unison), la Universidad de Guanajuato (UG) y del Instituto Tecnológico de Querétaro (ITQ) —que forma parte del Tecnológico Nacional de México (Tecnm)—, entre otros.

Es alentador que en México se esté trabajando en la materia; sin embargo, es innegable que el presupuesto es un factor importante para los desarrollos, y en nuestro país los recursos otorgados son relativamente pocos en comparación con lo que se destina en otras naciones.

Para esta tercera etapa se aprobaron recursos (con apoyos concurrentes) por 11 millones de pesos, de los cuales Conacyt puso cinco millones y el resto es aportado por los tres centros que participamos, siendo el CIQA el que mayor participación tuvo. Es decir que todavía distamos mucho de países desarrollados donde los laboratorios nacionales son un conjunto de gran infraestructura material y capacidad humana y en donde trabajan colaborativamente miles de investigadores, técnicos e ingenieros con presupuestos de cientos de millones de dólares.

AIC: ¿Cómo hacer más eficientes los trabajos en México a partir de esta realidad?

JLMR: Los pocos investigadores que estamos trabajando sobre el tema en el país, debemos colaborar cada vez más y dar más resultados científico-académicos, como artículos científicos y de difusión, además de mostrar resultados en foros nacionales e internacionales adecuados para que, cuando sean evaluados por el Conacyt y de otras instancias, tengamos más credibilidad y posibilidad de seguir obteniendo recursos.

Un ejemplo es que el año pasado nos reunimos en el CIQA en un coloquio nacional quienes trabajamos con el grafeno y en las aplicaciones que estamos intentando hacer.

Otro punto importante a nivel nacional es patentar las posibles invenciones, desarrollos o nuevas técnicas que se estén desarrollando al respecto, aunque en este aspecto —en general— en México tenemos rezagos.

Considero que a través de estas dos vías podemos ir avanzando, no al paso que quisiéramos, pero desde luego que se puede avanzar.

AIC: ¿Puede vislumbrarse un futuro alentador para  México en el tema del grafeno?

JLMR: Creo que sí hay nichos de oportunidad y de uso en nuestro país. Para lograrlo se deben facilitar y disminuir los costos de producción de los materiales grafénicos con propiedades específicas en sus distintas variantes y mostrar su aplicabilidad en los distintos aspectos en que se está trabajando.

Creo que a partir de ello es prometedor el futuro, aunque no hay que descartar que en el tema estamos frente a instituciones académicas que tienen a miles de personas trabajando con grandes presupuestos, o bien, frente a compañías grandes que cuando observan potenciales económicos invierten cuantiosas sumas en investigación, y es muy difícil competir con ellos.

Fuente: CONACYT.