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Mejorar la eficiencia de las células solares de silicio

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La energía solar es una de las fuentes más favorable para el medio ambiente, que en principio podría proporcionar toda la energía necesaria para el planeta. Las células solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la energía solar en energía eléctrica aprovechable, y por lo tanto son una tecnología clave para proporcionar al mundo con energía barato y fiable. Las células solares de silicio son una tecnología muy prometedora donde significativas mejoras tecnológicas son aún posibles que garanticen nuevas reducciones de precios y el aumento de instalaciones.

Reduciendo las pérdidas debidas a las superficies de materiales e interfaces

El proyecto de Ruy Sebastián Bonilla apunta a mejorar la eficiencia de las células solares de silicio, reduciendo las pérdidas debidas a las superficies de materiales e interfaces. La investigación aquí propuesta ampliará la actual comprensión de los mecanismos de la pérdida de carga para las superficies de semiconductores.  Su trabajo permitirá la mejora y el abaratamiento de las celdas que se producen, y proporcionará los conocimientos necesarios para mejorar la fabricación de una variedad de dispositivos optoelectrónicos. Los beneficios de esta investigación no sólo incluyen el avance científico de semiconductores y dieléctricos físicos, sino también el potencial de mejora en el funcionamiento y una reducción en el coste de fabricación de estos dispositivosMayor absorción de energía solar permite una reducción directa de las emisiones de CO2 y la seguridad energética a largo plazo. 

Por otro lado, las células  solares más comunes están basadas en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia de potencial entre las capas que conduce una corriente a través de un circuito externo. Las células solares de silicio disponibles en la actualidad tienen una eficiencia de conversión del 15-20%.

Evolución de las células solares es la siguiente:

  • Las células solares de primera generación se construyen a partir de obleas de silicio semiconductor.
  • Las de segunda generación introducen la tecnología de láminas delgadas, y tienen varios inconvenientes:
    • Las capas semiconductoras se depositan mediante alto vacío, lo que resulta complejo y caro.
    • Se colocan sobre un substrato de vidrio que requiere de procesos para establecer los contactos eléctricos.
  • La tercera generación de células solares está basada también en láminas delgadas, pero no tiene esas dificultades ya que las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre un metal. Además, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas empleando un proceso de impresión rotativa parecido al utilizado para imprimir periódicos y revistas, lo que resulta mucho más barato. Las capas depositadas sobre el metal son de CuInGaSe y CdS que sustituyen a los diferentes tipos de silicio P y N de las células tradicionales. Además, se aplica una capa de ZnO que actúa como un electrodo, siendo el metal el otro electrodo.

Los paneles solares convencionales filtran la luz ultravioleta o la absorbe el silicio y la convierte en un calor que no sirve para la electricidad. Pero si se emplean nanopartículas, estas pueden aprovechar esa luz ultravioleta y convertirla en electricidad, por lo que se aprovecha mucho más la luz solar. Integrando una fina capa de nanopartículas de silicio de un nanómetro de tamaño dentro de las células solares de silicio, se mejora el rendimiento energético en un 60% en el rango del espectro ultravioleta. Otro tipo de células solares empleadas son las células solares orgánicas, que presentan ventajas como que son más delgadas, flexibles y más fáciles de producir. Estas células pueden mejorar, por ejemplo, algunos electrodomésticos. Se ha desarrollado una técnica para mejorar la eficiencia de estas células solares orgánicas, protegiéndolas con una capa que contiene una mezcla de nanopartículas inorgánicas de seleniuro de cadmio y un polímero orgánico. También se ha experimentado con unos polímeros semiconductores que incluyen pequeños fragmentos de plata, capaces de absorber la energía solar y generar electricidad de un modo más eficiente y económico que los métodos convencionales.

Las nanopartículas de plata permiten que los polímeros capturen una amplia gama de longitudes de onda de la luz solar que de otra manera no se aprovecharían. La adición al polímero de estas nanopartículas aumentaría en un 12% la generación eléctrica. Además de emplear las nanopartículas para mejorar la eficiencia de las células solares, también se está desarrollando una técnica de bajo coste para fabricar células solares con nanocables, que podría reducir los costes de producción de las células manteniendo sus niveles de eficiencia. Para la fabricación de células solares de nanocables se emplean semiconductores de sulfuro de cadmio para el núcleo y sulfuro de cobre para la estructura. Estas células son baratas y fáciles de fabricar, y tienen una eficiencia de conversión energética del 5,4%, comparable a la de las células solares planas.

Este bajo rendimiento puede ser debido a la recombinación superficial y al poco control sobre la calidad de las uniones p-n en procesos a alta temperatura. Para solucionar esto,  se reemplazan las uniones p-n de las células solares convencionales por una unión p-n radial, en la que una capa de silicio de tipo n forma una capa alrededor de un núcleo de nanocables de silicio tipo p. Esto hace que cada uno de los nanocables actúe como una célula fotovoltaica y mejora la eficiencia de captura de luz de las células de silicio. Para la fabricación de nanocables se emplea sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre, pero utilizando una solución química. Estos se prepararon con una reacción de intercambio catiónico en solución, que consiste en sumergir los nanocables de sulfuro de cadmio en una solución de cloruro de cobre produciéndose el intercambio catiónico que convierte la capa superficial de sulfuro de cadmio en un caparazón de sulfuro de cobre.

Se piensa que se podría mejorar la eficiencia de conversión energética de los nanocables de las células solares aumentando la cantidad de material de la capa de sulfuro de cobre. Para que sea viable se necesita alcanzar una eficiencia de conversión de energía de por lo menos un 10%. Por lo que, las investigaciones en este campo son necesarias y nos ayudarán a encontrar soluciones más viables para el aprovechamiento de la energía fotovoltaica.

Dr. Ruy Sebastian Bonilla

Baterías de iones de sodio

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El medio ambiente y la energía son unas de las principales áreas de preocupación del siglo XXI. El cambio climático asociado al aumento del CO2 en la atmósfera y el agotamiento de los recursos fósiles, además de la dependencia hacia países productores de petróleo políticamente no estables, hace necesario un cambio hacia un modelo energético basado en fuentes renovables.

Nuevas Baterías de Almacenamiento

A pesar del aumento de instalaciones con fuentes de energía renovable, principalmente eólica y fotovoltaica, la intermitencia e imposibilidad de gestión dificulta su uso frente al resto y por tanto para dar el salto definitivo hacia las redes eléctricas del futuro es necesario el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía apropiados.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico, como las baterías, se presentan como la mejor solución. Sin embargo, hay algunas dificultades técnicas en términos de eficiencia, vida útil y coste de las tecnologías de almacenamiento actuales que explican por qué el almacenamiento de energía no se ha aplicado de forma generalizada.

Actualmente, las baterías de iones de litio (Li-ion), las cuales han conquistado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles, se han convertido en el principal candidato como fuente energética en la próxima generación de vehículos eléctricos e híbridos. Éstas proporcionan la mayor densidad energética de todas tecnologías actuales de baterías recargables; sin embargo, su elevado coste, la escasez de Li y las limitaciones técnicas (extremadamente sensibles a elevadas temperaturas, sobrecarga, presión interna acumulada, y la intolerancia a la descarga total) son los principales inconvenientes para su uso en el almacenamiento de energía.

En este contexto, las baterías de iones de sodio (Na-ion), a pesar de tener una menor densidad energética, poseen las ventajas suficientes para liderar la próxima generación de baterías para aplicaciones estacionarias dentro de las Smart Grids, en las cuales las limitaciones volumétricas son menores y el coste se convierte en el parámetro crítico. El sodio es abundante y está a continuación del litio en la tabla periódica, por tanto cabe esperar similitudes en términos de tecnología y rendimiento, y superiores a otras tecnologías actualmente en uso como las de Pb-ácido.

Las baterías de Na-ion son especialmente atractivas, ya que se puede utilizar las mismas infraestructuras industriales (misma tecnología de producción) que para las de Li-ion y por tanto minimizar el coste de la transferencia tecnológica. Otra reducción inmediata del coste es la posibilidad de utilizar una lámina de aluminio como colector de corriente tanto en el ánodo como en el cátodo en lugar de cobre (corrosión del aluminio en Li-ion).

Aún quedan muchos retos por resolver, especialmente en lo que se refiere a la vida útil y la seguridad a nivel de prototipo pre-industrial, los resultados actuales muestran que nos encontramos ante una tecnología competitiva a cualquiera de las existentes en términos de rendimiento y coste, que contribuirá a facilitar la gestión energética de las redes eléctricas del futuro.

Perspectiva general de las baterías de sodio-ion

Durante la década de los 80, el desarrollo de las baterías de Na-ion ha sido paralelo a las de Li-ion, pero debido al mejor ratio densidad/volumen ha sido esta última la que ha dominado el mercado de los dispositivos electrónicos portátiles desde 1990. Sin embargo, para aplicaciones estacionarias donde la densidad energética no es el parámetro más importante, la tecnología de Na-ion parece ser una muy excelente opción de futuro, con un coste estimado de <0.1 €/Wh en 2020 (50% inferior a Li-ion) y con la posibilidad de almacenar varios MWh en volúmenes reducidos (3 veces inferior a la tecnología Pb-acido).

Electrodos positivos para baterías de sodio-ion

En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.

Entre estos materiales se encuentran los óxidos laminares y los compuestos polianiónicos, basados estos últimos en fosfatos, pirofosfatos, fluorofosfatos, sulfatos,etc.; que ofrecen una gran versatilidad para el desarrollo de nuevos materiales catódicos para baterías de Na-ion. Pero veamos en qué consiste el Azul de Prusia.

Uno de los materiales que más está captando la atención últimamente es el conocido como Azul de Prusia, AM[M´(CN)6] (A = metal alcalino, M = M´= generalmente Fe). Entre sus ventajas, cabe destacar su facilidad de síntesis, su naturaleza amigable con el medio ambiente y su estructura 3D y modulable, que facilita la intercalación de iones. Entre sus inconvenientes, mencionar una baja eficiencia coulómbica debido al colapso que suele producirse en su estructura a lo largo del ciclado. Actualmente se está trabajando en la prueba de concepto de una batería completa tal y como se ha demostrado en el Azul de Prusia.

Electrodos negativos para baterías de sodio-ion

La identificación de un ánodo con un voltaje adecuado, una gran capacidad reversible y una elevada estabilidad es necesaria para el desarrollo de las baterías de Na-ion. A pesar de llevarse a cabo una gran variedad de estudios, actualmente y desde un punto de vista industrial y futuras aplicaciones, solo el carbón desordenado se ha contemplado como un material anódico prometedor para baterías de Na-ion.

Los carbones desordenados son los materiales anódicos más estudiados y proporcionan una capacidad reversible de ~ 300 mAh g-1 a ~ 0.1 V. Si a sus excelentes prestaciones se le añade el hecho que son materiales de bajo coste (<1 € / kg) hacen de ellos uno de los materiales más atractivos para ánodos en baterías de Na-ion.

Por otra parte, también se está investigando en las Carbodiimidas y en las baterías de sodio-ion en medio acuoso. Uno de los enfoques más prometedores para la reducción de costes en baterías de Na-ion es el uso de electrolitos acuosos, y que además presentan una movilidad iónica más elevada y una mayor seguridad que los electrolitos orgánicos convencionales, aunque la ventana de voltaje es más pequeña.

Gracias a la variedad de ventajas que posee en términos de coste, y disponibilidad, conjuntamente con las prometedoras mejoras en cuanto a rendimiento, durabilidad y seguridad, hacen de la tecnología de Na-ion una clara opción de futuro para el almacenamiento de energía en Smart Grids. En este aspecto estamos trabajando, y por ello, los prometedores resultados obtenidos hasta el momento, hacen pensar que esto es posible.

Prof. Mauro Pasta

Descubre la Energía Azul y su gran potencial

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La Energía Azul o energía osmótica es la energía que se obtiene por la diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua de río. Este tipo de energía tiene un gran potencial para convertirse en una fuente de energía limpia renovable, contribuyendo así a la lucha contra el calentamiento global y el agotamiento de las energías tradicionales.

¿Qué es y cómo se obtiene la Energía Azul?

La Energía Azul usa la cantidad de energía que se libera cuando el agua dulce entra en contacto con el agua de mar. La diferencia de salinidad entre estas dos clases de agua, crea una fuente de energía limpia renovable. El proceso consiste en la permeación del agua con baja salinidad a otra con mayor concentración de sal, ya que, mientras mayor sea la diferencia salina entre ambas soluciones, mayor será la cantidad de energía producida.

Las primeras investigaciones sobre este tipo de energía osmótica se la debemos al científico norteamericano Sidney Loeb. Este científico desarrolló en los años 50 un procedimiento de obtención de agua potable por efecto de la ósmosis, empleando para ello una membrana sintética, agua de mar y altas presiones.

Algunos años más tarde, Loeb introdujo en su investigación la utilización de un tanque con dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. En una de las cámaras se almacenaba el agua salada, y en la otra el agua dulce. La sal del agua de mar hacía que el agua dulce atravesase la membrana, generando un incremento de la presión del lado del agua de mar. Este aumento de presión, equivalente a una columna de agua de 120 metros, lo usó para mover una turbina y generar así electricidad.

Partiendo de dicho descubrimiento, en la actualidad existen dos líneas de investigación, una que se basa en la tecnología de Loeb, y otra que busca el efecto de electrodiálisis inversa.

Basándose en el prototipo de Loeb, funciona desde el año 2009 en Tofte (Noruega) una planta de energía azul experimental. En esta planta se prueba e investiga el uso de diferentes tipos de membranas y diseños. Así mismo, el Instituto Lumière Matière de Lyon, ha desarrollado un dispositivo experimental que se supone mil veces más eficiente que cualquier otro sistema.

Por otro lado, línea de investigación de Dr. Mauro Pasta se centra en la creación de un dispositivo al que llama Batería de Entropía.

La entropía como forma de generar electricidad

Todo sistema contiene entropía, es decir, una cierta medida de desorden. En un sistema cerrado la entropía tiende a aumentar según el segundo principio de la Termodinámica. Basándonos en esta premisa, si tomamos un vaso de agua pura y un cristal de sal por separado, cada uno de ellos contiene menos entropía que si los mezclamos. Una vez mezclados, para volver a separarlos tenemos que usar energía.

Si se necesita energía para separar el agua de la sal, también se puede obtener energía al mezclar el agua con la sal. De ahí surge la investigación sobre la generación de electricidad gracias a la diferencia entre la salinidad del agua dulce y el agua de mar.

La ventaja de la investigación de Dr. Mauro Pasta en comparación con los prototipos de membranas señalados anteriormente, es que, por el momento, las membranas son frágiles y la implementación de dichos sistemas supone una gran inversión. Mientras que la creación de una batería de entropía es muy simple. Se basa en dos electrodos sumergidos en un líquido que contiene iones, es decir, un electrolito. La interacción de los iones del agua dulce con el agua salada, da como lugar a una concentración de agua salada tal, que llega un momento en el que los electrodos no pueden contener más iones. Al alcanzar esta fase, es cuando podemos producir energía eléctrica.

Esta investigación, se ha centrado en el uso del dióxido de manganeso como electrodo positivo, ya que, no es perjudicial para el medio ambiente. Por otro lado, el electrodo negativo, que hasta ahora hemos usado, es de plata, con el que hemos obtenido muy buenos resultados. El único obstáculo para desarrollar el proyecto es que la utilización de electrodos de plata puede encarecer el proceso.

Por este motivo, Mauro Pasta continua investigando en la misma línea, para desarrollar el funcionamiento de la batería de entropía. Ya que, los estudios han demostrado que se puede alcanzar un 74% de eficiencia en la extracción de energía, usando este tipo de batería.

Tanto es así, que el potencial energético que se puede llegar a obtener es de 2TW, lo que viene a significar el 13% del total de energía consumida en todo el Planeta.

Prof. Mauro Pasta

Todo sobre el refrigerador de Einstein

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Einstein desarrolló un refrigerador ecológico junto a Leó Szilard en 1926. Por aquel entonces, los refrigeradores utilizaban gases tóxicos como refrigerantes. El uso de estos gases como cloruro de metilo, amoníaco y dióxido de azufre, causaron más de una muerte en muchos hogares. Por este motivo Einstein junto con Szilard, decidieron crear un refrigerador por absorción, del que hablaremos a continuación.

Cómo funciona el refrigerador de Einstein

Basándose en el conocimiento de que el agua hierve a una temperatura inferior a los 100 grados centígrados, Einstein y Szilard utilizan amoníaco, butano y agua para hacer funcionar su refrigerador. La ventaja de este invento es que no necesita electricidad para funcionar, además de ser un sistema seguro que elimina las pérdidas de gas.

Es por este motivo que Prof. Malcolm McCulloch se ha interesado en desarrollar los principios de este invento con el objetivo de invertir en su desarrollo. Llevar hasta los hogares este tipo de refrigerador no sólo hará que ahorremos en el consumo de electricidad, sino también, estaremos apostando por electrodomésticos limpios y respetuosos con el medio ambiente.

Pero veamos cómo funciona el refrigerador, el proceso es el siguiente: Se introduce el amoníaco en el evaporador, para a continuación añadir el refrigerante, que es el butano. El butano se evapora, y esta mezcla de gases pasa al condensador donde entra en contacto con el agua. El agua absorbe el amoníaco, y el butano asume la presión dentro del condensador, con lo que se produce la licuefacción. Es decir, el butano pasa al estado líquido, y en dicho estado pasa de nuevo por el evaporador para repetir todo el proceso. Mientras, el amoníaco va a parar a otra parte donde se separa del agua por la acción del calor, y de ahí vuelve al evaporador.

Todo el proceso anterior tiene lugar por la acción de una bomba electromagnética creada por Einstein y Szilard. Esta bomba electromagnética genera un campo electromagnético, que a su vez mueve un pistón que comprime el refrigerante. Y de ahí se inicia todo el proceso explicado anteriormente durante un ciclo repetitivo.

Las bases para la invención de este principio electromagnético se la debemos a Szilard, quien en 1929 publicó un trabajo al respecto. Este trabajo tiene como objeto la explicación del funcionamiento del Motor de Zsilard, que rompe con la segunda ley de la termodinámica. Esta investigación sobre la termodinámica es lo que llevó a Zsilard y Einstein a enfocarse en un tipo de refrigerador por absorción.

Cualquier refrigerador no es un sistema cerrado, ya que se lo somete a un flujo constante de energía, que es lo que hace que funcione de manera continua. En este sentido, el refrigerador de Einstein usa una fuente de calor para dirigir el proceso de absorción y liberación de líquido refrigerante, en lugar de usar un compresor mecánico. A su vez, la fuente de calor viene de la combinación de líquido y gases a través de varios circuitos interconectados.

Como podemos ver, la idea es muy efectiva, y el hecho de que no use freón u otros gases tóxicos para su funcionamiento, convierten al refrigerador de Einstein en una apuesta de futuro. De hecho, muchas universidades de prestigio se han interesado ya en rescatar el diseño de Einstein para mejorarlo y ponerlo en funcionamiento.

Es obvio que las ventajas del refrigerador de Einstein son más que suficientes como para dedicarle tiempo e inversión. Si recordamos que no necesita electricidad y usa calor residual para su funcionamiento, entenderemos que es necesario recuperar este invento.

El cambio climático es cada vez más preocupante, y las fuentes tradicionales de energía se agotan y contaminan. Por ese motivo invertir en fuentes limpias de energía y desarrollar electrodomésticos ecológicos es un paso necesario para nuestra evolución como especie.

Por otra parte, este tipo de refrigerador puede ser usado en cualquier parte del mundo, ya sea un desierto, una montaña aislada, o cualquier lugar a donde no llegue el tendido eléctrico. Esto supondría una enorme mejora en la calidad de vida de muchas poblaciones desfavorecidas.

Prof. Malcom McCulloch