Grafeno e o futuro da tecnologia fotovoltaica

Clara Druzgalski
3 de dezembro de 2011

Enviado como trabalho do curso para PH240 , Stanford University, outono de 2011

Grafeno e o futuro da energia solar

O grafeno é uma forma de carbono recentemente isolada, cuja estrutura consiste em uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo unida na forma de um favo de mel. O grafeno possui uma série de propriedades exclusivas que normalmente não estão associadas a outras formas de carbono, como: transparência óptica, flexibilidade e alta condutividade. [1] Essas propriedades tornam o grafeno um material muito atraente para uso na próxima geração de microchips mais rápidos, ultracapacitores com maiores densidades de armazenamento e células solares. [2,3] Para células solares, o grafeno seria um material ideal para uso como o componente do eletrodo condutor transparente, que contribui com um custo significativo para o preço geral dos dispositivos fotovoltaicos.

Atualmente, muitos dispositivos fotovoltaicos usam uma substância chamada óxido de índio e estanho (ITO) para a camada de eletrodo condutor transparente. O ITO é um fator limitante que impede a adoção generalizada de células solares, visto que a popularidade de produtos de consumo contendo índio, como telas de cristal líquido e telas sensíveis ao toque, alimentou um aumento dramático no preço do índio. [4] O índio é um metal relativamente raro e, portanto, estamos limitados pela capacidade de mineração de depósitos de índio conhecidos e sujeitos à volatilidade dos preços de acordo com a demanda do mercado. Além do custo, a fragilidade do ITO impede que as células solares assumam formas novas e flexíveis que aumentariam seu alcance de aplicação. O grafeno tem a combinação vantajosa de transparência,

Embora o grafeno pareça um ajuste ideal para fazer células solares flexíveis, embora não seja mais limitado pela volatilidade do preço do índio, o grafeno em si é um material tão novo que atualmente nenhum método de produção em grande escala está em vigor. Uma vez que o material básico do grafeno é o carbono, um recurso extremamente abundante e barato, é razoável esperar que uma estratégia de fabricação de baixo custo para o grafeno acabe se materializando. Atualmente, o isolamento do grafeno ocorre em pequena escala em laboratórios especializados e, embora várias técnicas de produção de grafeno tenham sido relatadas, a qualidade, a escalabilidade e o custo têm impedido que essas técnicas sejam adotadas como uma solução em larga escala. Por exemplo, a esfoliação de grafite é mais econômica do que outras técnicas, mas é limitada por seu pequeno tamanho,2 . [5] A redução do óxido de grafite (GO) para formar grafeno só é capaz de reduzir a superfície externa do GO, deixando o restante do material um isolante em vez de um condutor. Outro método de redução do GO usando altas temperaturas é incompatível com os substratos flexíveis que permitiriam às células solares assumir novas formas. [6,7] Um dos métodos mais promissores de resolver problemas de escalabilidade e qualidade é a produção de grafeno por deposição química de vapor (CVD), mas a questão de como transferir uma folha de grafeno de um átomo de espessura sem danificá-la continua a atormentar esta técnica. [8]

Felizmente, as propriedades altamente desejáveis ​​do grafeno levaram a uma onda de pesquisas neste material, com muitas descobertas ocorrendo a cada ano. Este material chamou a atenção da comunidade científica a tal ponto que o Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido a um grupo de cientistas por seus experimentos com grafeno. [9] Com novas técnicas de produção sendo relatadas com frequência, junto com o refinamento contínuo de técnicas mais maduras, parece que é apenas uma questão de tempo antes que este material possa ser praticamente adotado na indústria para uso em bens de consumo.

© Clara Druzgalski. O autor concede permissão para copiar, distribuir e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao autor, apenas para fins não comerciais. Todos os outros direitos, incluindo direitos comerciais, são reservados ao autor.

Referências

[1] AK Geim e KS Novoselov. "The Rise of Graphene", Nature Mat. 6 , 183 (2007).

[2] M. Stoller et al. , "Graphene-Based Ultracapacitors," Nano Lett8 , 3498 (2008).

[3] J. Wu et al. , "Organic Solar Cells with Solution-Processed Graphene Transparent Electrodes", ApplPhysLett92 , 263302 (2008).

[4] BG Lewis e DC Paine, "Aplicações e Processamento de Óxidos Condutores Transparentes", Mat. Res. Soc. Touro. 25 , 22 (2000).

[5] C. Berger et al. , "Electronic Confinement and Coherence in Patterened Epitaxial Graphene," Science 312 , 1191 (2006).

[6] X. Li et al., "Highly Conducing Graphene Sheets and Languir-Blodgett Films," Nature Nanotechnol3 , 538 (2008).

[7] G. Eda, G. Fanchini e M. Chhowalla, "Large-Area Ultrathin Films of Reduced Graphene Oxide as a Transparent and Flexible Electronic Material," Nature Nanotechnol3 , 270 (2008).

[8] X. Li et al. , "Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils", Science 324 , 1312 (2009).

[9] A. Cho, "Still in Its Infancy, Two-Dimensional Crystal Claims Prize," Science 330 , 159 (2010).

[10] Imagem cortesia da Força Aérea dos Estados Unidos.