Los materiales semiconductores bidimensionales (2D-SCMs) han atraído un interés creciente debido a sus singulares propiedades térmicas y mecánicas, características que los convierten en candidatos estratégicos para aplicaciones en electrónica flexible, optoelectrónica y dispositivos portátiles. En comparación con los materiales tradicionales como el grafeno, los TMDs (dicalcogenuros de metales de transición) presentan una estructura de red diferente, lo que da lugar a comportamientos de transporte de fonones distintos y a una conductividad térmica generalmente inferior. A diferencia del grafeno, cuya conductividad térmica depende de sus dimensiones y rugosidad superficial, los TMDs exhiben una conductividad térmica independiente de estos factores, debido principalmente a la corta longitud libre media de los fonones.

Los estudios teóricos indican que la conductividad térmica de los TMDs no varía significativamente en función del átomo metálico de transición utilizado, aunque la variación en el número de capas sí puede influir, aunque de forma más débil de lo que predicen los modelos teóricos. Además, defectos isotópicos pueden modificar considerablemente el transporte de fonones; en el MoS₂ con defectos isotópicos, por ejemplo, se ha observado una conductividad térmica aproximadamente un 50% mayor que en su forma monolítica pura. Esta sensibilidad a las imperfecciones abre nuevas rutas para la ingeniería térmica de materiales 2D.

El comportamiento direccional del transporte de fonones también es observable en materiales como el fosforeno. El fosforeno negro, con su estructura tipo panal, presenta un transporte dependiente de la orientación, mientras que el fosforeno azul, con una arquitectura en zigzag, muestra un transporte isotrópico. En materiales como el Bi₂Te₃, la conductividad térmica a grosores de solo 5 nm sigue comportándose como en su forma volumétrica, revelando un comportamiento no monótono con respecto al espesor. Estos efectos han sido también observados experimentalmente con un aumento gradual de la conductividad térmica a medida que crece el número de capas.

El nanomaterial N-graphdiyne ha mostrado una estabilidad térmica sobresaliente, manteniéndose estructuralmente intacto hasta los 2000 K, como lo evidencian los estudios de dinámica molecular basados en la teoría del funcional de densidad. Su baja sensibilidad térmica se debe a la casi nula contribución de los mecanismos de dispersión fonón-fonón. Además, el transporte de calor depende de la orientación en estructuras como C18N6 y C36N6, mientras que en C12N2 el transporte es anisotrópico. Todas estas propiedades tienen implicaciones profundas en la funcionalidad de estos materiales en dispositivos nanoelectrónicos, donde la eficiencia térmica puede ser determinante.

La rigidez mecánica y la estabilidad estructural de los 2D-SCMs son igualmente críticas, especialmente en el desarrollo de tecnologías flexibles. En el caso de los MXenes, sus propiedades estructurales y electrónicas pueden ser ajustadas mediante modificaciones superficiales con átomos como flúor y oxígeno. Aunque los MXenes son intrínsecamente metálicos, estas modificaciones pueden inducir una transición hacia un comportamiento semiconductor. Por ejemplo, el Sc₂C sin funcionalización presenta una banda prohibida nula, mientras que su versión funcionalizada (Sc₂CT₂, con T = OH, F, O) muestra un intervalo de banda de entre 0.45 y 1.80 eV. Además, los valores de conductividad térmica en estas formas funcionalizadas pueden superar incluso a los de materiales como MoS₂ o el fosforeno.

En sistemas de la forma 2D-M₂X (M = Sc, Ti, V, Mn, Nb, Mo, Hf; X = C, N), los estudios teóricos han demostrado que la estabilidad mecánica del monolámina se puede mejorar mediante modulaciones superficiales asimétricas, las cuales generan entornos químicos diferenciados en cada cara del material. Estas modulaciones influyen directamente en las propiedades elásticas, ajustando el módulo de Young y la anisotropía mecánica. Específicamen

¿Cómo mejoran los materiales 2D la eficiencia y estabilidad de las células solares de película delgada?

La conversión directa de la energía solar en electricidad ha experimentado avances significativos con el desarrollo de células solares (CS) basadas en materiales orgánicos y perovskitas, alcanzando eficiencias de conversión energética superiores al 18% y 25%, respectivamente. Estas tecnologías destacan no solo por su elevado rendimiento sino también por su compatibilidad con procesos de fabricación a gran escala de bajo costo, como el roll-to-roll, además de su flexibilidad mecánica, bajo peso y semi-transparencia, características que posicionan a las células solares de película delgada como un área prioritaria en investigación y desarrollo.

Dentro de este marco, los nanomateriales bidimensionales (2D) emergen como componentes ideales para capas de contacto en estas células, debido a sus propiedades únicas: estructura electrónica ajustable, alta transparencia óptica y elevada movilidad de portadores de carga. Diferentes familias de nanomateriales 2D, incluyendo grafeno, sus análogos elementales (como antimoneno y fósforo negro), óxidos metálicos, dicalcogenuros de metales de transición (MoS2, WSe2), semiconductores libres de metales (g-C3N4, COFs), MXenes y polímeros, se han incorporado en distintos roles dentro de las CS, como fotoelectrodos, capas transportadoras de electrones y huecos, y aditivos en capas activas, para optimizar su rendimiento.

Un caso destacado es el uso del MoS2, un nanomaterial 2D semiconductor, en células solares de perovskita orgánica (PSC). Se ha demostrado que al modificar la capa transportadora de huecos Spiro-OMeTAD con MoS2 en su fase semiconductora 2H, se consigue una notable reducción en la intensidad del pico de fotoluminiscencia, indicador de una extracción de huecos mejorada. Esta modificación contribuye a una estabilidad sobresaliente de la célula, reteniendo aproximadamente el 85% de su eficiencia inicial tras 300 horas de exposición al aire, en contraste con solo el 30% en células de referencia sin MoS2. Además, el MoS2 mejora la movilidad de los huecos y fortalece la estabilidad de la película de Spiro-OMeTAD.

De manera similar, la incorporación de capas buffer de MoS2 y MoSe2 entre la capa transportadora de huecos y la perovskita incrementa la estabilidad y eficiencia del dispositivo. Estas capas funcionan tanto como transportadoras adicionales de huecos como barreras protectoras, logrando retener hasta un 93% de la eficiencia inicial tras una hora, frente al 78% en células sin estas capas. La formación de heterouniones con estos nanomateriales, como las de tipo I y tipo II, contribuye a una separación más eficaz de cargas y reduce significativamente la recombinación electrón-hueco, lo que incrementa la eficiencia general.

Otra estrategia para mejorar el transporte electrónico y la eficiencia involucra la integración de g-C3N4 en capas de TiO2 usadas como capas transportadoras de electrones (ETL). La síntesis in situ de g-C3N4 mediante métodos de recocido asistidos por vidrio permitió fabricar células solares con una eficiencia máxima de conversión del 20,46%, un aumento del 20% respecto a células que emplean solo TiO2. La mejora se atribuye a una migración más rápida de electrones y a una reducción significativa de la recombinación de carga en la interfaz. Estos avances se corroboraron mediante espectroscopía de impedancia electroquímica, que mostró una mejor respuesta eléctrica en dispositivos con TiO2/g-C3N4.

Es esencial entender que la integración de materiales 2D en células solares no solo potencia la eficiencia mediante mejoras en la movilidad de cargas y la reducción de recombinación, sino que también aporta estabilidad ambiental y mecánica a estos dispositivos. La manipulación precisa de las interfaces y la formación de heterouniones adecuadas son clave para maximizar el desempeño, considerando que las propiedades electrónicas y ópticas de estos nanomateriales pueden ser ajustadas para optimizar la absorción de luz y el transporte de cargas. Asimismo, la compatibilidad con procesos de fabricación escalables y económicos asegura que estas tecnologías puedan ser adoptadas industrialmente, acercándonos a sistemas de energía solar más eficientes, accesibles y duraderos.

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