Propiedades y aplicaciones ópticas y optoelectrónicas del grafeno

Debido a que el grafeno es una capa de un único átomo de espesor se trata de un material con una elevada transparencia óptica en todo el rango de longitudes de onda de la zona visible y ultravioleta. El grafeno monocapa trasmite alrededor del 97.7% en la zona visible y por tanto son altamente transparentes. Esta elevada transparencia, junto con su elevada conductividad eléctrica, sitúa al grafeno y sus derivados como un candidato ideal para aplicaciones como conductor transparente, como por ejemplo en pantallas táctiles, células fotovoltaicas y LEDs orgánicos.

 

El óxido de grafeno reducido es altamente transparente en el espectro visible ya que es atómicamente delgado. La menor resistencia superficial encontrada para el rG-O a una transmitancia del 80% es 1 k/cuadrado. Estos valores lo colocan como un posible futuro competidor del óxido de indio y estaño (ITO), que cuenta con un valor típico de resistencia superficial de 10-25 /cuadrado para una transparencia del 90%.

Otra propiedad destacable de determinados derivados del grafeno es la fotoluminiscencia. Es posible conseguir derivados fotoluminiscentes de grafeno mediante la inducción de un gap de banda adecuado. En el grafeno el gap de banda es cero, lo cual por un lado puede ser una propiedad interesante debido a que favorece su conductividad eléctrica en comparación con semiconductores con gap de banda finito, pero por otra parte puede ser considerado un gran inconveniente debido a la imposibilidad de interrumpirla cuando se desea, lo cual es deseable en aplicaciones del grafeno en dispositivos electrónicos. Estudios recientes han demostrado que el gap de banda cero en el grafeno es resultado del entorno idéntico que poseen las dos subredes atómicas en el grafeno. Esto sugiere que rompiendo esta simetría lateral en el plano, bien de forma estructural o por modificaciones químicas, podría crearse un gap de banda en el grafeno.

Hasta el momento, los métodos más prometedores han sido los siguientes:

• Producción de puntos cuánticos o nanocintas de grafeno, es decir, láminas de grafeno de dimensiones laterales por debajo de ~20 nm, que exhiben un fuerte confinamiento cuántico y por tanto un gap de banda finito.
• Funcionalización covalente del grafeno. Un ejemplo extremo es el óxido de grafeno. En este caso, se abre un gap de banda tan grande que el material se vuelve eléctricamente aislante. La combinación de las propiedades ópticas y electrónicas del grafeno abre nuevas oportunidades para distintas aplicaciones en fotónica y optoelectrónica, por ejemplo en pantallas táctiles, diodos emisores de luz, transistores de alta frecuencia, sensores químicos, etc.

Estas propiedades también han hecho que sus aplicaciones en dispositivos fotovoltaicos sean muy estudiadas. Empleándose estos como electrodos transparentes, aceptores de electrones o absorbentes de luz.

celdas solares grafeno

Los electrodos transparentes basados en grafeno se han empleado principalmente en los tres tipos de dispositivos fotovoltaicos: orgánicos, híbridos orgánicos-inorgánicos y celdas solares basadas en colorantes. Uno de los mayores rendimientos obtenidos hasta el momento (16% de conversión energética) fue descrito para un sistema fotovoltaico fabricado con ocho bicapas de grafeno-puntos cuánticos de CdS.

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