Category

Andrew Watt

Células Fotovoltaicas Orgánicas

By | Andrew Watt, Energía Solar, Projects | No Comments

En la actualidad, cada día aumenta más la incertidumbre sobre el futuro energético. Las fuentes energéticas que más aportan hoy en día son de carácter limitado y se hace vital encontrar recursos renovables. Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son inagotables a escala humana. Una de las energías renovables más conocida es la energía solar.

Tipos de Células Fotovoltaicas orgánicas

Las células fotovoltaicas orgánicas aparecieron en 1990 con la intención de reducir el coste de la electricidad fotovoltaica. El bajo coste de los semiconductores orgánicos entre los que destacan los polímeros, pequeñas moléculas de materiales que se depositan por evaporación térmica, los convierten en una alternativa mucho más accesible, barata y respetuosa con el medio ambiente. Existen cuatro tipos principales de células fotovoltaicas orgánicas:

  • Las Células de Grätzel: Estas células utilizan unos productos aditivos o pigmentos  que absorben mucha luz y transfieren rápidamente el electrón a un óxido nanoestructurado como puede ser TiO2. Para hacer este proceso reversible y seguir absorbiendo luz, debe ser extraído el hueco que permanece en el pigmento. Esta tarea es realizada por un agente redox ó electrolito líquido.
  • Las Células multicapa. Sucesivas capas de diferentes materiales semiconductores son secuencialmente depositadas con el propósito de maximizar la intensidad del campo óptico en las zonas donde se fotogeneran las cargas; optimizando así tanto la absorción, como la disociación de los excitones.
  • Las Células con múltiples heterouniones orgánicas internas: Dos materiales poliméricos inmiscibles entre sí, con diferentes afinidades electrónicas y potenciales de ionización, se mezclan en la misma disolución. A partir de ella, por evaporación del disolvente, se forma una fina película con dominios de ambos materiales a escala nanométrica para así optimizar tanto el proceso de disociación de excitones, como el transporte de carga hasta los electrodo.
  • Las Células híbridas organo-inorgánicas: Estas células funcionan de una forma muy similar a las descritas en el apartado anterior. El papel de aceptar los electrones y transportarlos hasta su respectivo electrodo le corresponde, en este caso, a materiales inorgánicos con un gran band gap como TiO2 ó ZnO. Nanoestructurar estos materiales en forma de nanoporos o nanocables  sobre el sustrato, es crucial para garantizar un transporte efectivo de carga. Posteriormente el polímero se deposita desde la disolución sobre esta nanoestructura.

Al igual que en las células fotovoltaicas tradicionales, todos los procesos fotovoltaicos orgánicos están diseñados con el uso de dopantes que aumentan el rendimiento estándar del proceso original. Por un lado, ciertos polímeros mejoran sus propiedades reactivas al trabajar en presencia de una disolución redox. Otros en cambio, necesitan de un electrodo de ‘trabajo’, que facilite el movimiento de electrones de la disolución electroquímica que forma la célula.

Célula Fotovoltaica Tradicional y Célula Fotovoltaica Orgánica

Las células fotovoltaicas orgánicas tienen las mismas propiedades de conducción que el silicio pero pueden ser impresas o adheridas sobre casi cualquier tipo de material.
La principal diferencia entre los semiconductores convencionales y los polímeros conjugados es que en los primeros el electrón excitado y el hueco resultante migran libremente hacia electrodos opuestos mientras que en los segundos el electrón y el hueco que se generan tras incidir un fotón se encuentran ligados en forma de excitación.

Mediante la creación de interfases entre polímeros conductores con diferente afinidad electrónica se hace posible la transferencia de electrones entre polímeros. Este proceso, conocido como transferencia de electrones fotoinducida, consigue separar las cargas, y la unión creada en la interfase dador-aceptor es análoga a las heterouniones de semiconductores convencionales.

La vida útil se mide en ciclos, que se definen como el número de veces que se produce la carga y la descarga. Con cada ciclo, la batería va perdiendo propiedades, y envejece disminuyendo la capacidad máxima que puede alcanzar. Cuanto mayor sea la descarga (disminución de la capacidad) menor será el número de ciclos y, en consecuencia, menor será la vida útil. La vida útil de los paneles, así como su eficiencia, depende principalmente del proceso y de la calidad y la interacción en el dispositivo multicapa de los componentes del sistema.

Aun así existe cierto optimismo en cuanto a solucionar estos problemas de las células orgánicas. El mayor desafío en el desarrollo de tan alto rendimiento es optimizar la absorción de los materiales eléctricamente conductores.

Ventajas de las Células Fotovoltaicas Orgánicas

Las células fotovoltaicas orgánicas tienen a su favor que pueden ser adheridas como una capa ultradelgada de dos polímeros semiconductores sobre cualquier superficie plástica. Además los paneles solares compuestos por células orgánicas son más económicos, menos pesados y más fáciles de instalar.

Las células orgánicas solares han tenido que cumplir una serie de requisitos en términos de estabilidad, eficiencia y coste con el fin de poder competir con la existente tecnología del silicio y para poder encontrar nuevas aplicaciones. Los materiales orgánicos presentan ventajas desde el punto de vista de los costes de fabricación, el posible impacto en la seguridad medioambiental y fundamentalmente por la posibilidad de producir dispositivos flexibles;  que absorban la radiación a distintas longitudes de onda y en los que es posible modular las propiedades electrónicas haciendo uso de los recursos que proporciona la síntesis orgánica.

Estas propiedades suponen un avance significativo en el diseño de dispositivos electrónicos. Y es en este sentido a donde dirigimos nuestras investigaciones en relación a las Células Fotovoltaicas Orgánicas. Nuestros esfuerzos se centran en crear dispositivos que usen como base de su estructura Células Fotovoltaicas Orgánicas. Para ello, investigamos cuáles son las estructuras moleculares más adecuadas para conseguir los mejores resultados.

Los dispositivos fotovoltaicos basados únicamente en materiales orgánicos han atraído en los últimos años un gran interés como consecuencia de su ligereza, bajo coste de fabricación y la posibilidad de fabricar películas finas de estos materiales sobre superficies relativamente grandes.

Aunque, por otro lado, los bajos valores encontrados para la eficiencia de conversión en estos dispositivos fotovoltaicos son debidos a la baja eficiencia de fotogeneración de portadores de carga, así como la elevada resistividad eléctrica de los materiales orgánicos derivada de la baja movilidad y baja densidad de portadores de carga. Es por este motivo que continuamos investigando la forma más acertada de resolver estos inconvenientes.

Prof. Andrew Watt

Grafeno: el futuro de las células solares?

By | Andrew Watt, Energía Solar, Investigacion, Projects, Projects available | No Comments

El Grafeno tiene la característica de poseer una excelente conductividad, esto unido a su transparencia lo convierten en el elemento que puede transformar el futuro de la energía solar. Prof. Andrew Watt’s investigaciones con el Grafeno, confirman que la próxima generación de paneles solares será más eficiente, duradera y económica, si utilizamos este nanocrystal como electrodo conductor en las aplicaciones fotovoltaicas.

¿Qué es exactamente el grafeno?

El Grafeno es una sustancia compuesta por carbono, en el cual los átomos están dispuestos de forma hexagonal. Su estructura es similar al grafito, pero su densidad es la misma que la de una fibra de carbono, siendo hasta cinco veces más ligero que el aluminio. Debido a que su grosor es tan delgado como un átomo de carbono, a este nanomaterial se le considera 2D. Por otro lado, a pesar de su fino grosor es hasta doscientas veces más fuerte que el acero. Debemos añadir a las características del grafeno que es un gran conductor de calor y electricidad, y además es transparente, impermeable y flexible.
Pero veamos cuáles son las propiedades más destacadas del grafeno:

  • Es hasta 100 veces más duro que el Acero y el Diamante
  • Es transparente
  • Es elástico y muy flexible
  • Tiene la capacidad de auto-enfriarse
  • Alta conductividad térmica y eléctrica
  • Reacciona químicamente al mezclarlo con otras sustancias
  • Es muy ligero
  • Genera electricidad en contacto con la luz
  • Se puede modificar químicamente
  • Se autorepara, es decir, cuando una lámina de grafeno sufre un daño, los átomos de carbono más cercanos se encargan de reparar el problema
  • Absorbe residuos radiactivos

Todas estas características han hecho que muchos investigadores se interesen por él como alternativa para diferentes aplicaciones. Puede ser usado como componente en aparatos electrónicos, en cables de alta velocidad, en superbaterías eléctricas, en pantallas táctiles flexibles, en cámaras fotográficas más sensibles, etc.

Por ello, la aplicación del grafeno para su uso en células solares está a la vanguardia de la investigación en tecnología fotovoltaica.

Electrodos de grafeno para células solares

Andrew Watt, experto en nanomateriales, ha elaborado una investigación para producir grafeno sintético. Para ello, usamos la deposición de vapor químico, de esta manera, conseguiremos variaciones en el estado y morfología de su superficie para adaptarlo mejor a su uso en células solares.

El único obstáculo del grafeno, es que de momento, presenta una menor eficiencia en la conversión de energía y una vida útil más corta que las células solares de silicio cristalino. Por eso, el objetivo de nuestro proyecto es explorar la posibilidad de alterar el estado del grafeno químicamente para mejorar sus niveles de eficiencia. Lo que buscamos es sintetizar nanocristales inorgánicos mediante una solución química.

Nuestro método para la fabricación de nanoestructuras semiconductoras sobre el grafeno, a través de un proceso de ingeniería de interfaz, conserva las propiedades estructurales y eléctricas del grafeno. Esto hace que sea un reemplazo viable en diversas configuraciones de los dispositivos fotovoltaicos, lo que abre una amplia gama de oportunidades para el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos flexibles. Por otra parte, esta estructura también se puede aplicar a una variedad de dispositivos nanoelectrónicos, tales como LED.

En resumen, Watt ha elaborado el diseño de células solares híbridos orgánicos / inorgánicos que ofrecen una gama de características atractivas, incluyendo eficiencias de conversión mejoradas. Actualmente esta investigando otros sistemas fotovoltaicos flexibles de grafeno con electrodos basados ​​y una solución procesable, con el objetivo de lograr el rendimiento del dispositivo comparable o superior a las de sus contrapartes convencionales.

Por otra parte, es importante destacar que no somos los únicos interesados en el grafeno. Se están realizando diferentes estudios e investigaciones que demuestran que incluso añadiendo una pequeña cantidad de grafeno a una célula solar, esto hace que el rendimiento de la misma aumente hasta tres veces en comparación con el tipo de células convencionales.

También algunos fabricantes y proveedores de materiales 2D están colaborando con empresas de tecnología solar en investigaciones sobre el uso del grafeno. Lo que se pretende conseguir es desarrollar células solares sensibilizadas con grafeno mejorado. La ventaja es que la fabricación de las células solares de película delgada implica un bajo coste. Además de su baja inversión, también tiene muchas otras ventajas de implementación.

Prof. Andrew Watt