En la búsqueda por soluciones energéticas más eficientes y sostenibles, los sistemas de energía solar recargables como los supercondensadores solares, las baterías foto-recargables y los sistemas híbridos han ganado relevancia como alternativas notables frente a los sistemas tradicionales de almacenamiento. La integración de materiales semiconductores bidimensionales (2D) en estas tecnologías ha demostrado un gran potencial, marcando un avance significativo en el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento y conversión de energía. En particular, materiales como el g-C3N4, utilizados en baterías Li–O2, han mostrado propiedades excepcionales debido a su bajo voltaje de carga, lo que reduce la sobrepotencial negativo y mejora el rendimiento de carga-descarga. Estas innovaciones están abriendo nuevos horizontes para la mejora de la eficiencia y la estabilidad de los dispositivos solares.

El g-C3N4, un material semiconductor bidimensional, ha sido un foco de interés en este tipo de tecnologías. Su capacidad para mejorar el rendimiento de sistemas solares recargables se atribuye a su alta estabilidad y eficiencia en la captura de energía solar. De hecho, investigaciones recientes, como las realizadas por Liu et al., han demostrado que cuando este material se integra en un electrodo fotoactivo sobre papel de carbono, la batería Li–O2 alcanza un voltaje de carga de solo 1.96 V, lo que significa una mejora sustancial en comparación con las configuraciones tradicionales. Este avance permite una mayor capacidad de carga y una mejor eficiencia en los ciclos de carga y descarga, lo que es esencial para las aplicaciones a largo plazo en sistemas de energía solar.

Sin embargo, a pesar de estos avances prometedores, aún existen retos importantes para optimizar el rendimiento de los materiales 2D en sistemas fotovoltaicos y de almacenamiento de energía. Uno de los principales desafíos es el ajuste de la energía de banda de los materiales semiconductores. La optimización de la separación de cargas y la extensión de la absorción óptica hacia la región visible son cruciales para maximizar la eficiencia fotocatalítica de estos materiales. Para abordar estos problemas, se están explorando diversas estrategias, como la creación de heterojunciones entre diferentes materiales semiconductores, que han mostrado un potencial considerable para mejorar tanto las propiedades ópticas como las fotocatalíticas.

La fabricación de heterojunciones y la ingeniería de defectos superficiales son algunas de las estrategias clave que están llevando a avances notables en la fotocatálisis y en la eficiencia general de los dispositivos solares. Estas estructuras pueden facilitar una mejor separación de las cargas fotogeneradas, lo que mejora la estabilidad y la eficiencia energética de los dispositivos. Además, la creación de nuevos materiales y configuraciones de dispositivos puede permitir explorar territorios aún no investigados, lo que abre oportunidades para descubrir soluciones innovadoras.

Es importante destacar que el futuro de los sistemas solares recargables no solo depende de las mejoras tecnológicas en los materiales, sino también de la implementación de enfoques fundamentales y experimentales en la investigación. La evolución de los sistemas de energía solar recargable parece estar en una trayectoria brillante, llena de potencial de crecimiento, innovación y efectos positivos para la sociedad. La clave estará en abordar simultáneamente los desafíos técnicos y explorar nuevas fronteras con materiales novedosos y configuraciones creativas de dispositivos.

A medida que se desarrollan estos sistemas, se debe mantener un enfoque equilibrado que considere tanto los avances en la teoría como en la práctica, y las soluciones deben ser lo suficientemente flexibles como para adaptarse a las necesidades cambiantes de los mercados energéticos.

Materiales semiconductores 2D: Avances y aplicaciones prometedoras en optoelectrónica y electrónica

En los últimos años, los materiales bidimensionales (2D) han despertado un creciente interés en la comunidad científica. Si bien el grafeno lidera este campo debido a sus destacadas propiedades electrónicas y mecánicas, una variedad de materiales alternativos, como los compuestos de disulfuro de metal de transición (TMDCs), el nitruro de boro hexagonal (h-BN) y el fósforo negro (BP), han emergido como fuertes competidores, ampliando así el alcance de la investigación científica en este ámbito. Estos cristales 2D tienen un gran potencial para aplicaciones revolucionarias en los campos de la electrónica y la optoelectrónica debido a su alta movilidad electrónica, un ancho de banda adecuado, una efectiva absorción de luz y unas impresionantes propiedades de foto-responsividad, lo que abre nuevas posibilidades para avances tecnológicos significativos.

Los detectores de fotones tradicionales funcionan según el principio de la fotoconductividad. Sin embargo, en los últimos años, se ha experimentado un auge en el desarrollo de detectores de fotones basados en materiales 2D, que demuestran notables avances en sus capacidades de detección. El grafeno, como material 2D prometedor, tiene un enorme potencial para los fotodetectores, ya que absorbe un amplio espectro de longitudes de onda de luz, desde el ultravioleta hasta el teraherzio. No obstante, utilizar grafeno puro para la fabricación de fotodetectores presenta ciertos inconvenientes, como la vida corta de los portadores fotoexcitados y una baja eficiencia de absorción de luz entrante. Además, emplear grafeno sin un ancho de banda adecuado puede generar una corriente oscura considerable, lo que lo hace inadecuado para fotodetectores sensibles.

Junto al grafeno, los TMDCs semiconductores como WS2, WSe2, MoS2 y MoTe2 han demostrado propiedades ópticas y eléctricas sobresalientes. Estos materiales son considerados bloques fundamentales para los fotodetectores altamente sensibles debido a su rango de valores de banda prohibida, que varía desde menos de 1 eV hasta más de 2.5 eV. Sin embargo, estos materiales no son ideales para la detección de luz infrarroja debido a sus anchos de banda elevados. Por otro lado, el fósforo negro (BP), con una banda prohibida directa de aproximadamente 1.5 eV en su forma monolayer y de 0.3 eV en su forma macroscópica, se destaca como una opción sólida para aplicaciones optoelectrónicas que abarcan el rango de luz infrarroja cercana y media. Sin embargo, los fotodetectores basados en BP tienen una respuesta débil a la luz visible debido a su banda prohibida.

Para solucionar esta limitación, se ha buscado la creación de heterouniones entre el BP y el MoS2, pero este enfoque tiene sus propios desafíos. Solo las capas monolayer y bilayer de MoS2 poseen una banda prohibida directa, lo que es crucial para la interacción eficiente de la luz con la materia. Sin embargo, lograr una heterounión consistente entre BP y MoS2 que resulte en una alta eficiencia de respuesta fotográfica sigue siendo un reto técnico significativo. Así, se vuelve imperativo enfocarse en materiales que sobresalgan en este dominio: el selenio de indio (InSe).

El InSe, un semiconductor 2D, ha atraído gran interés en aplicaciones de nanoelectrónica y optoelectrónica debido a su alta movilidad de portadores, su pequeño peso efectivo de los electrones y su amplia absorción óptica. Los fotodetectores basados en InSe han mostrado con un rendimiento excepcional, con una amplia respuesta espectral (de 400 a 1000 nm), una fuerte foto-responsividad (hasta 105 A/W a 633 nm) y un tiempo de respuesta rápido (hasta 2 segundos). Estas características distintivas posicionan al InSe como un excelente candidato para fotodetectores de banda ancha con respuesta rápida.

Recientemente, investigadores han demostrado avances sobresalientes en la fabricación de láseres basados en TMDCs de una sola capa y pocas capas utilizando diversas configuraciones. Por ejemplo, mediante el uso de una cavidad nanofotónica de cristal, se logró un láser de umbral ultrabajo y de onda continua en una sola capa de WSe2 a temperaturas inferiores a los 160 K. Además, en temperaturas cercanas a los 10 K, se alcanzó la emisión láser en WS2 de una sola capa con un resonador microdisco y estimulación con láser de pulsos femtosegundos. Estos avances en láseres semiconductores 2D abren un abanico de nuevas posibilidades tecnológicas.

En cuanto a dispositivos electrónicos, se ha propuesto utilizar materiales 2D como medio activo para láseres de cavidad de emisión vertical, basados en la intensa y estable luminiscencia de capa simple de WS2. Además, se ha observado un láser de bajo umbral en MoTe2 de pocas capas sobre una cavidad nanofotónica de cristal de silicio a una longitud de onda de emisión de 1305 nm, lo que lo hace adecuado para las tradicionales comunicaciones por fibra óptica. Estos avances en el campo de los láseres de semiconductores 2D prometen el desarrollo de diversas aplicaciones tecnológicas.

Recientemente, se ha fabricado una unión p-n basada en el WS2 de banda prohibida ancha y el BP tipo p. Los resultados obtenidos muestran una excelente foto-responsividad, alcanzando una eficiencia cuántica externa (EQE) de 103% en la heterounión BP/WS2, un valor mucho mayor que en otras heterouniones de BP con otros TMDCs. Este rendimiento sobresaliente hace que el BP/WS2 sea un candidato excepcional para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos y electrónicos, con el potencial de ser utilizado en dispositivos de conmutación fotónica.

Es fundamental destacar que el impacto de los materiales semiconductores 2D no se limita únicamente a su capacidad de generar corrientes fotovoltaicas o sus aplicaciones en fotodetectores. La evolución de estos materiales abre nuevas perspectivas en diversos campos como la biosensibilidad y los dispositivos de conmutación. Los FETs basados en materiales 2D, como MoTe2, MoSe2 y WSe2, se utilizan en biosensores avanzados debido a su alta movilidad de portadores y su notable sensibilidad a partículas adsorbidas. Por ejemplo, en investigaciones recientes se ha desarrollado un biosensor FET basado en MoSe2 para la detección de proteínas específicas, como la estreptavidina, lo que demuestra la utilidad de estos dispositivos para la biotecnología y la detección biomolecular.

El futuro de los materiales semiconductores 2D promete transformar muchos sectores, no solo por sus capacidades electrónicas, sino también por sus aplicaciones en tecnologías emergentes que pueden revolucionar desde la óptica hasta la biotecnología.

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