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 Lett. 8 ,
3498 (2008).
[3] J. Wu et al. , "Organic
Solar Cells with Solution-Processed Graphene Transparent
Electrodes", Appl. Phys. Lett. 92 , 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
Nanotechnol. 3 ,
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
Nanotechnol. 3 ,
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.
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