La mejora de las propiedades electrónicas y la optimización de la separación de cargas en las interfaces de las celdas solares de perovskita (PSC) resultan decisivas para incrementar su eficiencia. En este sentido, la incorporación de una capa de transporte electrónico (ETL) basada en TOCN (óxido de titanio modificado con carbono nitrógeno) frente a una capa solo de TiO2 (TO) ha demostrado disminuir la resistencia en serie (Rs) mientras aumenta la resistencia a la recombinación (Rrec), favoreciendo así la transferencia de carga y suprimiendo la recombinación de portadores en la interfaz ETL/perovskita/HTL (capa de transporte de huecos). Este efecto se refleja en un aumento de la corriente de corto circuito (Jsc), evidencia directa de una mejor separación de cargas y eficiencia fotovoltaica. Este comportamiento está respaldado por el diagrama de bandas propuesto para el sistema completo, donde se observa cómo las modificaciones en la capa ETL ajustan la alineación de bandas, facilitando el transporte eficiente de electrones y huecos.

A nivel teórico y computacional, el estudio de heteroestructuras tipo van der Waals (vdW), como la formada por g-C3N4 y WTe2, revela la importancia del espaciado entre capas (gap vdW) en la modulación de propiedades electrónicas críticas. Al reducir este espacio, el gap de banda disminuye por el desplazamiento simultáneo del mínimo de la banda de conducción hacia abajo y el máximo de la banda de valencia hacia arriba, configurando una estructura tipo II que facilita la separación espacial de electrones y huecos. Esta capacidad de ajustar el gap y la alineación de bandas mediante el control del espacio intercapas permite optimizar la absorción espectral y, por ende, la eficiencia en la conversión solar, alcanzando valores prometedores del orden del 17.68% en eficiencia de conversión fotovoltaica (PCE).

En línea con esto, heteroestructuras compuestas por materiales como M2CO2 y MoX2 exhiben una reducción en la recombinación electrónico-hueco gracias a sus características intrínsecas de tipo II, aumentando así la respuesta fotocatalítica y ampliando el rango de absorción en el espectro UV-visible. Estos avances abren puertas para diseñar dispositivos híbridos que conjuguen propiedades óptimas para aplicaciones en energía solar y almacenamiento.

La transición hacia sistemas de almacenamiento energético que integren la conversión y acumulación de energía se manifiesta en los supercondensadores ópticos o foto-supercondensadores. Estos dispositivos, combinando las altas tasas de carga/descarga y larga vida útil de los supercondensadores con la captación directa de energía solar mediante celdas fotovoltaicas, representan un salto cualitativo en la eficiencia y funcionalidad de sistemas energéticos híbridos. A diferencia de los supercondensadores convencionales que almacenan energía exclusivamente electroquímica a través de dobles capas eléctricas o procesos farádicos rápidos, estos sistemas integrados permiten una sinergia entre la conversión fotónica y el almacenamiento electroquímico.

El esquema general de un sistema foto-recargable incluye un fotoánodo que, bajo irradiación luminosa, genera pares electrón-hueco; los electrones se transfieren hacia un electrodo de almacenamiento, mientras que el electrodo contrapartida equilibra la carga con la ayuda de un separador iónico. Este proceso asegura la carga eficiente del dispositivo, que luego puede descargarse con la transferencia inversa de electrones, manteniendo el balance iónico y eléctrico mediante la membrana separadora.

Este desarrollo abre nuevos paradigmas en la integración funcional de células solares y dispositivos de almacenamiento, más allá de las arquitecturas clásicas donde conversión y almacenamiento operan de manera independiente. La optimización del diseño y materialidad en cada componente, especialmente en las interfaces y en la gestión de la energía a nivel molecular y electrónico, es fundamental para alcanzar altas eficiencias y robustez en estos sistemas híbridos.

Es crucial comprender que la mejora en el rendimiento no solo depende de la elección de materiales individuales, sino de la interacción entre ellos y de cómo se modulan sus propiedades electrónicas mediante el control preciso de estructuras nanométricas y espaciamiento entre capas. La ingeniería de heteroestructuras y la integración de funciones en dispositivos multifuncionales son la clave para avanzar en tecnologías solares y de almacenamiento sostenibles y eficientes, capaces de satisfacer las demandas energéticas futuras.

¿Cómo se sintetizan y aplican los puntos cuánticos de grafeno en la tecnología avanzada?

Los puntos cuánticos de grafeno (GQDs) son fragmentos extremadamente pequeños de láminas de grafeno con un tamaño menor de 100 nm y un grosor de menos de diez capas. Estos pequeños trozos de grafeno tienen la particularidad de que, a medida que su tamaño disminuye, las cargas se confinan de manera más efectiva en todas las dimensiones, lo que da lugar a una serie de propiedades únicas que no se encuentran en el grafeno convencional. A diferencia del grafeno, que es un material conductor, los GQDs presentan un bandgap, lo que les permite actuar como semiconductores, abriendo la puerta a nuevas aplicaciones tecnológicas. La capacidad de fluorescencia que exhiben estos puntos cuánticos de grafeno es una de las características más interesantes, lo que los hace útiles en diversas aplicaciones en las que se requiere la emisión de luz controlada.

Para sintetizar GQDs, existen principalmente dos enfoques: el de arriba hacia abajo (top-down) y el de abajo hacia arriba (bottom-up). El enfoque de arriba hacia abajo implica cortar las láminas de grafeno utilizando métodos como la oxidación, mientras que el de abajo hacia arriba se basa en la construcción de los GQDs a partir de moléculas orgánicas más pequeñas. Entre los métodos más comunes, el corte oxidativo, también conocido como corte por oxidación, utiliza ácidos como el ácido sulfúrico (H2SO4) o el ácido nítrico (HNO3) para romper los enlaces carbono-carbono en el grafeno o en nanotubos de carbono, generando fragmentos más pequeños que se convierten en GQDs. Este proceso, aunque bastante efectivo, también tiene limitaciones, como una producción de GQDs en menor cantidad, lo que restringe su uso a aplicaciones de alta tecnología donde la calidad es más crucial que la cantidad.

La posibilidad de controlar las propiedades ópticas de los GQDs, tales como la longitud de onda de emisión de fluorescencia, les da una versatilidad sin igual. Dependiendo del tamaño y de los grupos funcionales en la superficie, así como de los átomos dopantes que se empleen, se puede ajustar la fluorescencia de los GQDs desde el ultravioleta profundo hasta el rojo. Este control en la emisión es lo que hace a los GQDs tan atractivos en aplicaciones de detección y visualización, como la bioimagenología y el diagnóstico biomédico. Además, su biocompatibilidad los convierte en un material de preferencia para la detección de enfermedades y en el tratamiento de ciertas patologías, como el cáncer, debido a su baja toxicidad y su capacidad para emitir luz de manera estable.

Los GQDs también presentan ventajas sobre los puntos cuánticos convencionales de semiconductores metálicos. Mientras que los puntos cuánticos de semiconductores son conocidos por su alta toxicidad y su limitada solubilidad en agua, los GQDs ofrecen una excelente solubilidad en agua, una mayor estabilidad óptica y, lo que es más importante, una baja toxicidad. Estas propiedades los hacen aptos no solo para aplicaciones biomédicas, sino también para el monitoreo ambiental y la remediación de aguas o aire. Su capacidad de formar películas compactas, su superficie altamente oxidada que favorece la dispersión y su estabilidad óptica los colocan en una posición privilegiada para desarrollar dispositivos de última generación.

El uso de átomos dopantes, como el nitrógeno, el azufre, el boro o el fósforo, ha demostrado mejorar las propiedades de los GQDs, especialmente en lo que respecta a la fluorescencia. Al introducir estos dopantes, se alteran las propiedades electrónicas de los GQDs, lo que permite una mayor eficacia en procesos como la fotocatálisis. Estos átomos dopantes crean niveles de energía intermedios entre los niveles de la órbita molecular ocupada más alta (HOMO) y la órbita molecular desocupada más baja (LUMO), reduciendo así la brecha de energía y permitiendo que los GQDs absorban una gama más amplia de energía. Esta capacidad de absorber luz de diferentes longitudes de onda los hace aún más valiosos en aplicaciones como la conversión de energía solar y la detección de gases.

En cuanto a los métodos de síntesis, la oxidación controlada sigue siendo uno de los más utilizados, debido a su simplicidad y efectividad. Sin embargo, a medida que se perfeccionan nuevas técnicas, como la síntesis asistida por microondas, se busca mejorar la eficiencia y la producción de GQDs de alta calidad. Este tipo de síntesis promete mayores rendimientos y una mayor reproducibilidad en la producción de estos materiales, lo que abrirá nuevas oportunidades en diversas áreas tecnológicas, desde la electrónica hasta la energía.

Los GQDs, con su capacidad para modificar sus propiedades ópticas, químicas y estructurales, están destinados a convertirse en una herramienta indispensable en la tecnología avanzada. Gracias a su estabilidad, baja toxicidad y flexibilidad en el diseño, estos materiales continuarán abriendo puertas a innovaciones en áreas que van desde la electrónica de próxima generación hasta aplicaciones biomédicas y ambientales.

¿Cómo funcionan los procesos fotocatalíticos en semiconductores metálicos y cuáles son sus aplicaciones principales?

Los procesos fotocatalíticos se basan en la interacción de la luz con materiales semiconductores, particularmente óxidos metálicos, que actúan como fotocatalizadores. Cuando estos materiales son iluminados con fotones cuya energía supera el gap energético o banda prohibida del semiconductor, los electrones en la banda de valencia (VB) se excitan y saltan a la banda de conducción (CB), generando un par electrón-hueco. Este par es esencial para iniciar reacciones químicas en la superficie del fotocatalizador.

Sin embargo, uno de los retos fundamentales es evitar la recombinación rápida de estos pares, ya que dicha recombinación reduce la eficiencia del proceso. La separación efectiva de electrones y huecos ocurre en la región de carga superficial del semiconductor, permitiendo que los portadores de carga alcancen la superficie y transfieran sus cargas a las moléculas adsorbidas. Los electrones transferidos pueden reducir moléculas adsorbidas, mientras que los huecos pueden oxidarlas, formando radicales hidroxilo (OH•) altamente reactivos capaces de degradar contaminantes orgánicos.

Para que el proceso sea eficiente, el fotocatalizador debe poseer ciertas propiedades clave: una banda prohibida suficientemente amplia para absorber la energía necesaria; niveles energéticos de la banda de conducción y valencia compatibles con los potenciales de reducción y oxidación de las moléculas adsorbidas; y una tasa de recombinación del par electrón-hueco menor que la tasa de las reacciones redox.

El dióxido de titanio (TiO₂) y el óxido de zinc (ZnO) son los fotocatalizadores más investigados. TiO₂ destaca por su estabilidad química, no toxicidad y capacidad para generar pares electrón-hueco altamente oxidantes. Sin embargo, su amplio gap de 3,2 eV limita su activación a la luz ultravioleta, representando un desafío para su utilización con luz solar visible. Por ello, se han desarrollado técnicas para reducir este gap mediante dopaje con metales nobles o de transición (como Fe, Cu, Mn), así como con no metales (C, N, S, P), aumentando la absorción de luz visible y la eficiencia fotocatalítica.

Por su parte, ZnO también posee un gap amplio y propiedades optoelectrónicas que le confieren una alta actividad fotocatalítica, incluso superior a TiO₂ bajo luz visible en ciertas condiciones. Su eficacia mejora con modificaciones fisicoquímicas o dopajes específicos, y es capaz de degradar tintes y contaminantes bajo luz UV y visible con una notable eficiencia.

Además de su aplicación en fotocatálisis para la degradación de contaminantes, estos semiconductores metálicos se emplean en tecnologías fotovoltaicas avanzadas, como celdas solares orgánicas (OSCs) y celdas sensibilizadas por colorante (DSSCs). En estas, la correcta alineación energética de las bandas de conducción y valencia con los orbitales moleculares de los materiales orgánicos o colorantes es fundamental para una eficiente separación y transporte de cargas. La nanoporosidad de los óxidos metálicos incrementa la superficie disponible para la adsorción del colorante, mejorando la absorción lumínica y la eficiencia global del dispositivo.

Para maximizar el rendimiento de estos dispositivos es crucial la ingeniería precisa de las interfaces y la selección adecuada de materiales que funcionen como transportadores específicos de electrones o huecos, evitando reacciones no deseadas y mejorando la estabilidad del conjunto.

Es importante comprender que, aunque los avances en la modificación de los semiconductores para ampliar su respuesta a la luz visible son prometedores, la complejidad de los procesos fotocatalíticos y fotovoltaicos implica que la eficiencia real dependa no solo de las propiedades intrínsecas del material, sino también de factores como la estructura superficial, la presencia de defectos y estados trampa, la adsorción de moléculas y la dinámica de los portadores de carga. La optimización de estos aspectos es fundamental para el desarrollo de tecnologías sostenibles y efectivas en la purificación ambiental y la conversión energética.

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