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Energía Solar

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

Nanohilos Semiconductores

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Un nanohilo es un alambre con un diámetro del orden de un nanometro. Pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros y de una longitud libre. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes por lo que también se les denomina “hilos cuánticos”. Existen muchos tipos diferentes de nanohilos, incluyendo hilos metálicos, semiconductores y aisladores. Los nanohilos moleculares están compuestos de unidades moleculares repetitivas ya sean orgánicas o inorgánicas.

Nanotubos para optolectrónica

La relación entre la longitud y el ancho es casi infinita, hasta de varias micras, por ello, podemos describirlos como materiales unidimensionales. Los nanohilos tienen muchas propiedades interesantes que no se han visto en materiales tridimensionales, no afectados por efecto de borde. Con esta morfología filiforme, si el material que los conforma es semiconductor conseguiremos un confinamiento de carga que circulara sobre todo en la dirección longitudinal que actuará como un hilo eléctrico.

Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanohilos como los nanotubos de carbono se manifiestan a sí mismas en valores discretos de la conductancia eléctrica. Estos valores discretos surgen de una restricción de la mecánica cuántica en el número de electrones que pueden viajar a través del hilo en escala nanométrica. Estos valores discretos son referidos frecuentemente como el cuanto de la conductancia y son valores enteros. Hay muchas aplicaciones donde los nanohilos pueden llegar a ser importantes: en electrónica, optoelectrónica y dispositivos nano electromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos de nanoescala cuántica, como emisores de campo y como contactos o terminales para los nanosensores biomoleculares.

Prof. Andrew Watt está llevando a cabo una investigación en relación a los nanotubos y la optoelectrónica. Este proyecto involucrará la síntesis de aleaciones de metales para nanotubos mediante el  procesamiento de película delgada en una gran variedad de substratos, la conductividad y la movilidad. Todas estas características son medidas junto con la caracterización físico-química: XRD, SEM, XPS, TEM. Por otro lado, los nanohilos semiconductores son los protagonistas de diversas líneas de investigación sobre futuras generaciones de dispositivos del mundo electrónico en nanoescala. Son considerados como uno de los elementos básicos para desarrollar aplicaciones de nanotecnología. Es importante que tengan una alta relación superficie-volumen donde ciertas propiedades pueden cambiar.

Una de las formas más baratas de obtener nanohilos la encontramos en los sistemas térmicos. Colocando un metal, óxido de zinc por ejemplo, sobre un sustrato y calentando este último, estaremos actuando sobre el primero de tal manera que se alargue y obtengamos un nanohilo con una “gota” de metal en la punta. También podemos colocar un polvo en el interior de un horno e introducir gas dentro. Esto provocará que el polvo se vaya evaporando y al golpear con el gas se formen nanohilos. Introduciendo en los nanohilos zonas de dopaje selectivo con átomos donadores o aceptores de carga, podemos conseguir la creación de unios PN de semiconductores dopados para que circulen por ellos cargas negativas y semiconductores dopados para que sean cargas positivas las que transmitan la corriente, o lo que es lo mismo, creamos en los hilos diodos en la nanoescala. La creación de un diodo es el paso previo a la creación de un transmisor: se alternan en un mismo hilo capas con distinto dopaje o de diferentes materiales semiconductores, aislantes  y metales. Los nanohilos  presentan propiedades optolectrónicas.  

De este modo y gracias a que la técnica actual permite seleccionar la localización en la que se quiere ir generando los nanohilos y tener un control casi absoluto del depósito de capas atómicas de diferentes materiales sobre ellos, podemos crear dispositivos electrónicos u optoelectrónicos con una alta densidad de transistores, diodos o LED y por lo tanto circuitos complejos o paneles lumínicos que ocupen muy poco espacioEl menor espacio implica también un menor consumo energético y un aumento de las prestaciones. En este sentido, los nanohilos semiconductores se han venido utilizando tanto para la creación de nanodispositivos electronicos y optoelectronicos como para sensores o para la creación de generadores de energía y células solares de alto rendimiento.

Las uniones PN y PIN en nanohilos hacen que estos puedan usarse en células solares de alto rendimiento, impulsando las nuevas energías renovablesUna de las aplicaciones “estrella” de los nanohilos semiconductores de óxido de zinc es su capacidad para ser empleados como nanogeneradores. 

Con un desarrollo adecuado, los nanogeneradores funcionarán convirtiendo la energía mecánica del movimiento del cuerpo, la contracción de los músculos o el flujo del agua, en electricidad. Científicos del Memorial Sloan-Kettering Cancer Centre de Nueva Cork anunciaron en 2001 la creación de un nanogenerador molecular diseñado para combatir el cáncer. Su funcionamiento se basa en que, una vez en el cuerpo humano, se introduce en las células tumorales. Aquí libera una serie de partículas atómicas que destruirían las células enfermas sin afectar a las sanas. 

Con otro tipo de nanohilos obtenemos otras aplicaciones. Empleando nitruro de galio para el crecimiento de nanohilos podríamos obtener diodos emisores de luz, nanoláseres ultravioletas de corta longitud de onda y sensores bioquímicos especiales. 

La optoelectrónica simplemente se dedica a todo objeto que esté relacionado con la luz, como por ejemplo los teléfonos móviles, aparatos electrónicos, etc. y es en este campo donde estamos enfocando nuestras investigaciones para crear dispositivos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Prof. Andrew Watt

Células Fotovoltaicas Orgánicas

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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

Baterías de estado sólido: Una prometedora revolución

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Son numerosas las investigaciones enfocadas hacia la búsqueda de nuevos conductores iónicos, electroquímicamente estables, que posibiliten un mejor funcionamiento de las baterías recargables. Las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más económicas y fáciles de fabricar; sin embargo, otras aplicaciones que necesitan de una temperatura de funcionamiento extrema, pueden beneficiarse de la introducción de materiales que muestren una conducción rápida.

Baterías recargables de ion-litio

Los electrolitos sólidos inorgánicos ofrecen ventajas y desventajas importantes con respecto a los electrolitos líquidos y poliméricos. Por soportar temperaturas elevadas se pueden utilizar en baterías de estado sólido, además son materiales conductores de iones individuales, lo que significa que solamente los iones Li+ tienen una movilidad apreciable, mientras que los aniones y otros cationes forman un esqueleto rígido.

El hecho de eliminar el gradiente de concentración aniónica a través del electrolito, puede ayudar a suprimir las reacciones adversas, o reacciones de descomposición, que puede sufrir el electrolito. Sin embargo, se hace necesario seguir investigando, con el fin de conseguir minimizar, por ejemplo, el producto de la resistividad del electrolito y de su espesor, de forma que a través del electrolito sólido tenga lugar un transporte rápido de iones Li+.

Algunas de las baterías recargables de ion-litio que han comenzado ya a aparecer en el mercado están compuestas de cátodos de LiCoO2, electrolitos poliméricos y ánodos de grafito altamente densificados. Presentan además una superficie pequeña para minimizar los fenómenos de pasivación que también les afectan. Pueden recargarse hasta 2500 veces, y gracias a su bajo precio, constituyen la mejor alternativa en el mercado de la electrónica de consumo.

No obstante, las baterías de ion-litio muestran aún importantes defectos debidos a su frágil estructura, entre éstos pueden citarse: que requieren un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo, se degradan con el tiempo, debiéndose almacenar en lugar frío al 40 % de su carga, muestran capacidad de descarga moderada, son más caras que otro tipo de baterías. Por último cabe indicar, que forman parte de una tecnología que se encuentra actualmente en estudio progresivo.

Algunas de las investigaciones llevadas a cabo hoy en día, están centradas en la preparación y estudio de ortofosfatos nanoestructurados y compuestos relacionados, que son susceptibles de presentar conducción iónica rápida, lo que permite poder estudiar su potencial de utilización como electrolitos sólidos.

Investigaciones realizadas sobre ortofosfatos no nanoestructurados, encuentran que los valores de conductividad medidos en el interior de los granos constitutivos de esos materiales, son mucho más altos que los que se miden en la frontera existente entre los granos. La investigación desarrollada, está impulsada por el deseo de encontrar materiales con propiedades y características mejoradas, en base a su posterior aplicación en nuevas baterías de estado sólido.

Hoy en día, son numerosos los artículos científicos en los que se buscan y se estudian tipos estructurales diferentes o nuevas composiciones, con el fin de encontrar nuevos electrolitos sólidos de iones rápidos. Para conseguir esos objetivos, se ensayan rutas de síntesis avanzadas, que permitan influir en la microestructura de los compuestos preparados y conseguir una orientación favorable de las fronteras de grano, de modo que la presencia de dichas fronteras afecte lo menos posible a su conductividad.

Investigaciones recientes que abordan temas de este tipo, se enfocan hacia la preparación de materiales electródicos nanoparticulados y/o nanoestructurados, persiguiendo esencialmente dos objetivos, el primero, intentar mejorar la conductividad intra e inter granular, y el segundo, poder fabricar electrolitos composites de utilidad en baterías de estado sólido. De esta manera, el método de spray pirolisis permite, por ejemplo, obtener materiales nanoestructurados con morfología esférica, estrecha distribución de tamaño de partícula y homogeneidad composicional.

El enfoque actual de la investigación en electrolitos sólidos  y numerosas publicaciones relativas a la investigación y al desarrollo tecnológico de las baterías de ion litio, siguen centrando su atención, en estudios que permitan una mejora del uso de los electrolitos poliméricos, de los geles y de los electrolitos composites. Aunque son aún los electrolitos líquidos los que se siguen utilizando en la mayoría de estudios electroquímicos rutinarios. Sin embargo, sólo un porcentaje mínimo de contribuciones abordan el potencial de utilización de los electrolitos cerámicos.

Ciertamente, las baterías que contienen electrolitos orgánicos son más baratas, más fáciles de fabricar y, sí se controla la capa de interfase electrolito-sólido formada y las interfases electrolito-electrodo, se logra una buena ciclabilidad. El consumidor de baterías de ion litio es probable que continúe utilizando los electrolitos orgánicos.

Sin embargo, otras aplicaciones que requieren una temperatura extrema de funcionamiento −alta o baja−, máxima vida útil, descarga insignificante y contactos extremadamente delgados, pueden beneficiarse de la introducción de electrolitos cerámicos. Algunos grupos de investigación abordan la síntesis de electrodos laminares, utilizando electrolitos cerámicos y vidrios en conjunción con electrolitos líquidos o poliméricos. El compuesto Li3PO4 embebido ha sido utilizado como separador de membranas o como cátodo en fibras, asimismo, también litio metálico embebido en vidrios se ha utilizado como material para ánodos.

Por otra parte, la mayoría de las investigaciones realizadas actualmente en electrolitos cerámicos, distan mucho de una inmediata aplicación práctica de estos materiales. Faltan estudios que evalúen la estabilidad electroquímica de muchos de los electrolitos sintetizados e informes de diferentes técnicas de fabricación, que pongan énfasis en el espesor óptimo que ha de tener la capa del electrolito.

Del mismo modo, se hace necesario analizar, sí la introducción de electrolitos cerámicos o vidrios en las capas de un polímero, puede eliminar la formación de dendritas, inhibir las reacciones químicas de disolución que tienen lugar en los electrodos de las baterías y, sí debido a una mejor difusión en electrodos composites, se reducen los gradientes de concentración.

Finalmente, puede también resultar interesante en el futuro, estudiar sí la introducción de  materiales  nanoestructurados en electrolitos poliméricos, para dar origen a un electrolito composite, puede resultar de utilidad en las baterías de estado sólido.

Mejorar el funcionamiento de las baterías de estado sólido, la preparación y el estudio de electrolitos poliméricos, a los que se ha añadido materiales  nanoestructurados, y la introducción de electrolitos cerámicos y vidrios, en las capas de un electrolito polimérico, son algunos de los retos que se plantean hoy en día los investigadores.

Prof. Mauro Pasta

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

Almacenamiento – Nuevo electrodo híbrido

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El constante aumento del consumo de energía, principalmente basado en combustibles fósiles, está causando un aumento alarmante de las emisiones de CO2, causando un gran impacto en el cambio climático. La alternativa podría ser la utilización de fuentes de energía renovables, pero su intermitencia dificulta su uso.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico en general, y las baterías en particular, se presentan como la mejor solución a este inconveniente. Investigadores estan trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para su uso en baterías, y de esta manera proporcionar al mercado una prometedora tecnología como alternativa a las baterías de litio ion para el almacenamiento en Smart Grids de bajo coste con un mejor ciclo de vida.

Nuevas baterías de almacenamiento

El creciente despliegue de fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica requiere un aumento proporcional de la capacidad de almacenamiento de energía para integrarlas en la red eléctrica. La combinación de estas fuentes con la red energética es especialmente difícil debido a la gran y rápida variabilidad en su producción. Los picos intermitentes o gotas de potencia deben ser suavizados para duraciones tan cortas como unos segundos, mientras que el equilibrio de carga es necesario para contrarrestar las fluctuaciones diurnas.

Por ello, se hace necesario un almacenamiento económico de energía que tenga una respuesta rápida, una vida útil prolongada, una alta potencia y una alta eficiencia energética, que puedan distribuirse a través de la red para permitir una amplia penetración de energía solar, eólica y otras fuentes de energía variables.

Las tecnologías convencionales de almacenamiento de energía luchan para satisfacer las necesidades de la red. Prácticamente, toda la capacidad de almacenamiento de energía actualmente en la red es proporcionada por la energía hidroeléctrica bombeada, que requiere una inmensa inversión de capital, depende de la localización y sufre una baja eficiencia energética. El almacenamiento de energía de aire comprimido también depende del sitio y debe ser soportado por una planta de combustión de combustibles fósiles. Los volantes mecánicos ofrecen alta potencia y eficiencia, pero son demasiado caros.

Por otro lado, varias tecnologías de baterías han visto un despliegue limitado en la red. Las células ácidas con plomo son las menos costosas, pero tienen una profundidad de descarga, duración del ciclo y eficiencia limitada. Las baterías de sodio-azufre, sodio-haluro metálico y flujo redox funcionan sólo a bajas tasas y tienen una baja eficiencia energética. Así mismo, las baterías de iones de litio y níquel / hidruro metálico usadas en vehículos eléctricos son actualmente demasiado costosas para su uso en escalas más grandes.

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 en el CICe son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.

Hemos explorado una variedad de nuevas químicas acuosas de baterías de álcali-ión. Estos son potencialmente ventajosos debido a la seguridad, alta conductividad iónica y bajo coste de los electrolitos acuosos. Se han explorado las baterías acuosas de iones de litio que utilizan materiales catódicos adoptados a partir de células de electrólito orgánico comercializadas, pero en general han mostrado una vida útil limitada. Se ha demostrado que las células acuosas de sodio que utilizan un cátodo Na x MnO2 y un ánodo capacitivo de carbono ofrecen una larga duración del ciclo, pero tienen una capacidad de velocidad limitada. Estas tecnologías acuosas se han limitado principalmente por el desarrollo de materiales de ánodo que tienen el potencial correcto y que son químicamente estables al electrolito deseado.

Recientemente, hemos desarrollado una familia de materiales de nanopartículas de estructura abierta con la estructura cristalina de Prusia Azul. Estos materiales tienen una estructura cristalina de estructura abierta que contiene grandes sitios intersticiales que permiten la rápida inserción y extracción de Na + y / o K + con muy poca deformación cristalográfica. Por ejemplo, el hexacianoferrato de cobre (CuHCF) reacciona con K + mediante una reacción de inserción monofásica.

Los electrodos CuHCF son prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de red debido a su ciclo de vida ultra-largo (83% de retención de capacidad después de 40.000 ciclos), alta potencia (67% de capacidad a 80C), alta eficiencia energética y potencialmente un costo muy bajo.

Un ánodo para funcionar en el mismo electrolito que el cátodo CuHCF debe ser químicamente estable en soluciones ácidas y tener preferiblemente un potencial cercano a -0,1 V frente al electrodo estándar de hidrógeno (SHE), el límite termodinámico para la descomposición de agua A este pH. Además, un ánodo útil debe tener una vida útil de ciclo muy larga y una capacidad de alta velocidad para adaptarse a las propiedades notables del cátodo CuHCF. Además de K +, CuHCF también puede reaccionar con iones alcalinos, tales como Li + y Na +, por lo que un ánodo capaz de reaccionar con cualquiera de estos iones podría ser utilizado. Una opción intuitiva sería otro análogo de Azul Prusiano con un potencial de reacción cerca del SHE. Sin embargo, la reducción del azul de Prusia a la sal de Everitt tiene un potencial demasiado alto (0,45 V frente a SHE) y otros análogos de Azul Prusiano que contienen hexacanomanganato y hexacicocromato electroquímicamente activos son químicamente inestables.

La nueva clase de ánodos que son compatibles con nuestros materiales CuHCF tiene una estructura abierta en electrolitos acuosos. Estos ánodos se basan en un electrodo híbrido que funciona mediante un nuevo concepto fundamental; Es decir, combinando un material de electrodo (polipirrol, PPy), que es capaz de una reacción faradaica a un potencial fijo con un electrodo capacitivo (carbón activado, AC), se puede controlar el potencial de todo el electrodo.

Fundamentalmente diferente de los electrodos tradicionales de batería y capacitivos, nuestro nuevo electrodo híbrido tiene la capacidad de alta velocidad de un ultra-condensador, pero con el potencial bien definido de un electrodo de batería. Este electrodo híbrido tiene un atractivo potencial de circuito abierto (OCP), sintonizable a -0,2 V frente a SHE, un perfil de carga / descarga poco profundo y baja autodescarga.

Además, demostramos que una célula completa con este ánodo híbrido y un cátodo CuHCF proporciona un rendimiento que es prometedor para aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala, tales como alta potencia y eficiencia energética, y una vida útil de miles de ciclos.

Prof. Mauro Pasta

Mix optimo de fuentes de energia

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Las investigaciones realizadas en la energía no es consistente y con frecuencia no se ajusta a una norma común para la comparación. Los cálculos se hacen sobre todo sin tener en cuenta los llamados “factores externos”, volumen (tamaño), diferentes costos de capital o subvenciones existentes y recortes de impuestos. Por otra parte, la mayoría de las veces una única fuente de energía se compara con otras fuentes, sin tener en cuenta una posible combinación de energías. Por último, pero no menos importante, sea cual sea la combinación energética más conveniente depende en gran parte de la región. En algunas regiones, la energía geotérmica funciona muy bien y en otros, solar o eólica se prefiere. Cualquier intento de generalizar las posibles soluciones de la energía no es una forma ideal para hacer frente a este complejo tema.

Es importante ponerse de acuerdo sobre las normas de la industria para los cálculos. Esta podría ser la base para definir el mix energético ideal para cada región o incluso de cada ciudad.

Muchos académicos y profesionales, aunque con opiniones muy diferentes en otros detalles, están de acuerdo en que una solución de energía limpia viable y escalable que puede satisfacer todas las energías de la tierra necesita ahora y en el futuro es la energía solar. Algunos proponen utilizar los desiertos del mundo y otros incluyen instalaciones de paneles descentralizados. Uno de los problemas es la relativamente alta inversión que se requeriría para generar y transportar energía solar al consumidor final. Otro reto para la generación de energía local y el almacenamiento es que muchos países no cuentan con una infraestructura de red inteligente de dos vías.

Imran y Kockar (2013) proporcionan una comparación de los diseños que prevalecen de los mercados mayoristas de electricidad en América del Norte y Europa. Algunas de las diferencias incluyen el diseño emergente para los países europeos, que considera un enfoque abierto con múltiples intercambios de energía (bilateral) con organizaciones esencialmente independientes. El diseño de Estados Unidos se combina predominantemente en una sola entidad. A raíz de esta comparación, puede haber indicios de que la separación de explotación de la red de generadores de energía en un mercado liberal parece ser el enfoque moderno. Las redes públicas todavía podrían ser instalados y mantenidos por varias empresas privadas a través de un proceso de licitación y concesión de licencias. Sin embargo, los generadores de energía locales deben competir en un mercado de materias primas abierta pero con directrices claras.

Kammen (2014) indica que cada región y país tiene su propia legislación y reglamentos para incentivar las inversiones en energía limpia. En California, es una obligación; en Alemania, hay tarifas especiales, y así sucesivamente. Ese tipo de políticas parecen haber tenido resultados positivos. Pero en realidad no es claro si fue la política o el uso simple y eficiente de la tecnología solar. Se sabe que las compañías de petróleo y gas han recibido muchos más beneficios fiscales y subsidios en comparación con la mayoría de los proyectos de energía limpia. De acuerdo con Kammen (2014), para impulsar la industria de energía limpia, se necesitan empresas grandes y pequeñas. Se necesitan grandes empresas de economías de escala en la producción, y las pequeñas empresas para la innovación. Kammen (2014) también propone la integración de la generación de energía de una manera descentralizada, convirtiendo edificios en una red de generadores de energía, mientras incentivar el uso de vehículos eléctricos.

El exceso de capacidades y flexibilidad del suministro y de la demanda

Según Green y Staffel (2016), los siguientes problemas están relacionados con el mercado de la energía: Suministro siempre debe ser suficiente para satisfacer la demanda; si no es suficiente para unos pocos segundos, el sistema colapsa. Sólo unas pocas tecnologías de almacenamiento son viables, pero se necesita más investigación.

Las estrategias para hacer frente a estos retos incluyen la construcción de más capacidad que se necesita y mantener las fuentes de energía de reserva, que se pueden utilizar para suministrar energía en caso de que se requiere (Green y Staffell, 2016). La construcción de más capacidad introduce el riesgo asociado a las inversiones.

Una posible solución sería utilizar el exceso de energía en horas no pico para ciertas aplicaciones alternativas de demanda flexible. Una demanda flexible podría ser estaciones de carga de autos eléctricos o de almacenamiento en edificios. Cuando no se requiere electricidad en el mercado eléctrico principal, o cuando los precios son demasiado bajos, generadores de energía podrían usar ese tipo de acuerdos para suministrar energía para usos alternativos que utilizan almacenamiento distribuido.

Una red inteligente de infraestructura

La infraestructura de electricidad en la mayoría de los países parece no tener las características tecnológicas que harían posible tener una cierta flexibilidad en la generación y distribución de energía sin tener que ponerse de acuerdo sobre los excesos de capacidad considerables y modos de transporte largos. La infraestructura parece estar diseñado con un enfoque de generación y distribución de energía centralizada.

Un enfoque más descentralizado proporcionaría una mayor seguridad del mercado. Un enfoque descentralizado para la creación de energía podría ser una preocupación para las empresas de servicios públicos desde una perspectiva de negocios, pero la instalación local de sistemas de energía sería muy fragmentado y por lo tanto competitivo y probablemente más eficaz en la prestación de mejores precios y calidad. Además, más personas pueden consumir más energía cuando los precios caen. La auto-generación de energía podría ayudar a los hogares a suavizar los cambios bruscos en los precios de la electricidad.

Instalaciones solares locales son mucho más fáciles de manejar.

Según Navigant Research, se espera que la capacidad microrred global va a crecer de 1,4 GW en 2015 a 7.6 GW en 2024 en un escenario de base.

Un estudio de Stauffer (2015) concluye que el despliegue de la energía solar descentralizada a escala requiere equipo costoso y el desarrollo de tecnologías críticas, que se traduce en costo neto añadido para los consumidores. Sin embargo, este estudio no tuvo en cuenta la disminución de las capacidades necesarias y el aumento de los proveedores de instalación que pueden tener efectos positivos debido a la competencia en un mercado liberalizado.

Las políticas relacionadas con instalaciones microrred incluiría toma de la red pública operativo para aplicaciones de redes inteligentes que permiten un flujo bidireccional de energía eléctrica. Una red pública óptima sería permitir que cualquier generador de energía puede no solamente inyectar electricidad, sino también sacar la electricidad cuando sea necesario.

Desarrollo solar a gran escala

Desertec propone la utilización de regiones desérticas para generar teóricamente toda la energía requerida en el mundo. El siguiente mapa muestra el mundo de color de acuerdo con la incidencia solar directa (DNI), que es una indicación de la potencial salida máxima que puede ser generada por el tamaño físico requerido para la generación de energía solar.

Seba (2009) establece que el 1% del tamaño de las tierras desérticas de Estados Unidos (desierto de Mojave) sería suficiente para alimentar todo los EE.UU..  Parte de las regiones desérticas de Chile sería suficiente para alimentar muchas partes de América del Sur. España, Turquía y el Sahara de África serían candidatos para alimentar ambos continentes (CleanTechnica 2011, Seba 2009, Breyer y Knies 2009, Schillings, et al.). Básicamente en todas partes del mundo, hay tierra desierto con no más de 3000 km de distancia (Breyer y Knies, 2009; Seba 2009). Con nuevas líneas de transporte de redes inteligentes sería suficiente para llegar a cualquier región. “Los desiertos del mundo reciben más energía abajo del sol en seis horas que la humanidad usa en un año” (Desertec 2009, Scientific American 2013). El potencial global de concentrar cantidades de energía solar es aproximadamente de 3.000.000 TWh /  año, un número considerablemente mayor que la actual producción mundial de electricidad de 23.322 TWh / año (AIE, 2015). Una gran parte de esta fuente de energía renovable se concentra en los desiertos de la tierra.

Los efectos de transición

Las compañías de petróleo y gas pueden tener dificultades para competir en la industria de energía limpia. A modo de ejemplo, podemos mencionar Shell y BP. Los dos gigantes del petróleo entraron en la industria de energía limpia, especialmente la solar, con una gran inversión en la cadena de suministro. Por último, ambas compañías fracasaron y fueron forzados a salir. Miller (2013) menciona en su investigación que las razones del fracaso incluyeron de no tener expertos solares en el equipo de dirección ejecutiva, así como la falta de velocidad en la curva de aprendizaje para tener éxito.

El mercado es enorme ya que se requiere una gran cantidad de nuevas inversiones en infraestructura para la transición a la energía renovable. El riesgo asociado a estas inversiones dependerá en parte de las políticas públicas mencionadas anteriormente. Mientras que el enfoque descentralizado probablemente podría ser competitivo, el desarrollo de energía solar a gran escala probablemente requeriría una participación más activa de los gobiernos para asegurar los pagos de proyectos y mitigar el riesgo. Un buen enfoque podría ser el lanzamiento de proyectos en diferentes regiones, a partir de las regiones con más alta incidencia solar (DNI). Esos proyectos podrían alimentar a los mercados locales primero y luego, paso a paso, la exportación a otros países.

Grafeno: el futuro de las células solares?

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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

Empresas y universidades aprovechan energía solar en Chile

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Prof. Andrew Watt y Sascha Koslowsky participaron en un field trip organizado por Corfo.

El Desierto de Atacama recibe la mayor radiación solar del mundo y un alto promedio de horas de sol al año, ambas condiciones son inmejorables para el desarrollo de una industria solar. De ahí la importancia de la visita de empresarios, inversionistas y académicos nacionales y extranjeros, que fueron parte del primer Field Trip Solar organizado por el Programa de Energía Solar de Corfo. La delegación visitó tres plantas de energía solar ubicadas en la Región de Antofagasta, además de la Planta en el Salar de Atacama de Rockwood Lithium Chile.

Plantas Solares

La primera de las plantas visitadas correspondió al complejo Atacama I, actualmente en construcción por parte de Abengoa Chile y que corresponde a una iniciativa que cuenta con dos tecnologías: fotovoltaica y de concentración solar de potencia. Esta planta tendrá una capacidad de 210 MW (110 en tecnologías de torre y 100 en fotovoltaica) y un sistema de almacenamiento de 17, 5 horas.

El recorrido continúo en la planta María Elena de Sunedison Chile, que tiene una capacidad instalada de casi 73 MW, y finalizó en la Planta Finis Terrae de ENEL Green Power que posee una capacidad de 160 MW.

Los participantes valoraron el recorrido que les permitió conocer tanto las potencialidades como los desafíos que presenta el desierto de Chile “Logramos conocer tres interesantes desarrollos que ya han experimentado las condiciones del desierto” indicó Rafael Burgos, Representante de Ferrostaal.

En la ocasión los representantes pudieron interiorizarse de las principales dificultades que enfrentan hoy estas plantas y que principalmente tienen que ver con el soiling (polvo en los paneles), alta temperatura que alcanzan los módulos y la alta radiación UV, que paradojalmente es también un problema, ya que reduce la vida útil de componentes como el cableado, que en algunos casos, debe ser reemplazado cada seis meses.

Finalmente, el Field Trip Desierto de Atacama 2016, finalizó con la visita a la Planta en el Salar de Atacama de Rockwood Lithium Chile, en la que los asistentes pudieron conocer el proceso de producción que tiene la compañía.

De esta forma, los participantes se interiorizaron sobre la creciente industria solar del país y además establecieron redes de trabajo que les permitan postular a la iniciativa Corfo de desarrollar tecnologías para las extremas condiciones de del desierto. “Este recorrido nos permitió ver en terreno la realidad de nuestro desierto y además generar redes que permiten sin duda, estudiar alianzas para el trabajo en conjunto de futuros desarrollos tecnológicos”, puntualizó Rodrigo Mancilla, Director Ejecutivo del Comité Solar.

Convocatoria

El objetivo de este Field Trip Solar fue conocer en terreno las oportunidades del desierto, así como también sus desafíos, con el objetivo que las organizaciones puedan participar de la convocatoria al programa tecnológico de Corfo “Desarrollo de Tecnologías de Energía Solar Fotovoltaica para Climas Desérticos y Alta Radiación”, que invita a desarrollar tecnologías para la creciente industria de energía solar fotovoltaica nacional, y que respondan de una mejor manera a las condiciones particulares de zonas desérticas y alta radiación como el Desierto de Atacama.

El programa de Corfo, apoya proyectos asociativos entre empresas y centros tecnológicos con foco en la investigación aplicada de sistemas fotovoltaicos para zonas desérticas de altos niveles de radiación. Cofinancia hasta el 70 por ciento del costo total del proyecto adjudicado, equivalente a un máximo de hasta 8 mil millones de pesos, bajo la modalidad de subsidio no reembolsable.

En ese contexto, el llamado que hace Corfo es a generar desarrollo tecnológico para equipamiento conducente a la realización de investigación aplicada, transferencia de tecnología, innovación y emprendimiento; adecuación o construcción de infraestructura; actividades relacionadas con el gerenciamiento, operación, administración y gestión del programa y actividades relacionadas a la ejecución del portafolio de proyectos, entre otras. Las postulaciones a este programa estarán abiertas hasta el 30 de marzo del 2017.

Fuente: Corfo

Investigación de Energía Solar de Oxford

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El sol es la única fuente de energía renovable que podría, en principio, satisfacer fácilmente todas las necesidades energéticas del mundo. Con un 15% de eficiencia (ya disponible a partir de energía fotovoltaica y energía solar concentrada), el 0,5% de la superficie terrestre mundial (con irradiancia media) proporcionaría 20 teravatios de electricidad, más que el consumo total de energía actual.

La contribución de la energía solar, que proporcionó el 1% de la electricidad mundial en 2015, está aumentando muy rápidamente (en 2015 fue 33% más grande que en 2014 y casi ocho veces mayor que en 2010). Este rápido crecimiento está previsto que continúe, impulsado por la rápida caída del costo de FV. Según la IRENA, la capacidad instalada podría aumentar de 230 GW en 2015 a 1.760-2.500 GW en 2030. FV es dominante, aunque CSP (que aportó alrededor del 3% de la energía solar total en 2015) también está aumentando rápidamente: De acuerdo con el nuevo escenario de políticas de la Agencia Internacional de Energía (AIE), proporcionará alrededor del 10% de la energía solar en 2030 (aunque de acuerdo con AIE, la capacidad fotovoltaica ‘sólo habrá aumentado a 730 GW’).

IRENA informa que el coste medio global de la electricidad generada por el FV fue de $ 130 / MWh en 2013 (comparado con el LCOE promedio para el gas y el carbón en el rango de $ 50-100), pero los costos habían caído a $ (60 -100) / MWh para plantas fotovoltaicas encargadas en 2015 en partes de Europa, China, India, Sudáfrica y Estados Unidos.

La investigación continua puede reducir aún más los costos de generación fotovoltaica. Sin embargo, el despliegue a gran escala también requerirá mejoras en las redes eléctricas y / o almacenamiento de energía, y / o una mayor respuesta a la demanda, lo que aumentará los costos. Diseñar un mercado que ofrezca incentivos que produzcan la combinación óptima de estas medidas es un enorme desafío al que se está dirigiendo el Programa de Oxford Martin sobre Integración de Energías Renovables.

Investigación en Oxford

La energía solar significa la conversión directa de la luz solar en electricidad, calor o hidrógeno, todos los cuales se están desarrollando en Oxford como parte de la fotosíntesis fotovoltaica, artificial y la investigación solar térmica. Los trabajos sobre bioenergía (que también es de origen solar) se describen en la investigación sobre bioenergía.

Fotovoltaico

Fotovoltaica de Silicio

Más del 80% de la electricidad fotovoltaica (FV) se basa en silicio cristalino. Estas células solares actuales son relativamente intensivas en energía, dispositivos basados ​​en obleas de aserrado de lingotes de cristal. Los científicos de materiales de Oxford están desarrollando técnicas para reducir costos y mejorar el desempeño de estas células, por ejemplo mediante el desarrollo de nuevas formas de reducir la recombinación en las superficies de silicio y controlando más efectivamente el efecto de las impurezas para que las células puedan ser más eficientes eléctricamente o mas económico.

Los investigadores están estudiando dos tipos principales de defectos: los defectos superficiales limitan el rendimiento de las células solares comerciales más eficaces, mientras que los defectos de granel están presentes en altas concentraciones en materias primas menos caras y reducen la eficiencia de los dispositivos que utilizan dichos materiales. En Oxford han desarrollado técnicas de pasivación superficial líderes en el mundo para dispositivos de alta eficiencia que permitirían la fabricación de dispositivos con eficiencias que se aproximan al 26%. También se está trabajando en la extracción y pasivación de defectos a granel para producir los dispositivos más rentables en materiales de silicio de bajo coste.

Células solares de perovskita

Película de peróxskita de haluro organometálico de 330 nm de espesor fabricada sobre una lámina de vidrio por deposición de vapor.

Un avance reciente del departamento de física de Oxford es el desarrollo de células solares basadas en la clase de material de las perovskitas. Las eficiencias han sido impulsadas hasta un 20% en un período de tiempo notablemente corto usando una arquitectura de celda simple (véase la tabla NREL y el estudio de caso sobre las perovskitas). Este trabajo está siendo comercializado por Oxford Photovoltaics (una empresa de innovación de Isis Innovation) que está planeando producir vidrio de color atractivo y semitransparente, que funciona como una célula solar y podría ser integrado en las fachadas de edificios y ventanas.

Células solares orgánicas e híbridas

Las células solares sensibilizadas por colorantes, una tecnología híbrida de células solares, imitan la fotosíntesis natural. En contraste con FV convencional, la “recolección de luz” y la “separación de carga” tienen lugar en diferentes materiales (adyacentes), el primero en un colorante semiconductor orgánico y el segundo en la superficie de una película nano-cristalina de dióxido de titanio. Los académicos de Oxford pretenden comprender mejor los procesos fotosintéticos y diseñar sistemas sintéticos con absorbentes biomiméticos, que imitan el rendimiento de los sistemas biológicos. Este trabajo es la clave para avanzar en la eficiencia de la célula sensibilizada por el colorante. Así, los físicos y químicos de Oxford desempeñan un papel principal en el desarrollo conjunto de materiales absorbentes y arquitecturas para células solares orgánicas e híbridas más eficientes.

Moléculas de colorante en solución excitada por luz láser

Los físicos de Oxford y los científicos de materiales también desarrollan procesos de fabricación de nuevos materiales y dispositivos orgánicos FV. Se están estudiando y desarrollando métodos de rodillo a rollo mediante los cuales estos materiales pueden depositarse sobre láminas de polímero flexibles, con el potencial de aumentar drásticamente las velocidades del proceso y reducir los costos del dispositivo.

Los científicos de Oxford están trabajando en maneras de reducir el costo de fabricar células fotovoltaicas robustas basadas en óxidos metálicos no tóxicos, que podrían surgir como otra nueva tecnología de película delgada.

Conceptos PV avanzados

Para mejorar aún más las eficiencias de la película delgada de una sola unión y las tecnologías cristalinas, los científicos de materiales de Oxford investigan la fotovoltaica de tercera generación. Las tecnologías incluyen dispositivos de múltiples empalmes y nuevas tecnologías cuánticas tales como portadores de calor y generación de múltiples excitones. También se está trabajando en dispositivos fotovoltaicos dotados de puntos cuánticos producidos por síntesis coloidal y epitaxia de haz molecular, mientras que los físicos de Oxford han trabajado en células termo-fotovoltaicas cristalinas que convierten la radiación térmica de cuerpos muy calientes directamente en electricidad.

Los matemáticos, los químicos y los científicos de materiales de Oxford apoyan este trabajo con cálculos del primero-principio de la estructura electrónica de materiales del FV; El desarrollo de modelos teóricos de los procesos fundamentales de captura de luz y transporte de energía y carga; Y modelando el transporte de energía y carga en dispositivos fotovoltaicos.

Fotossíntesis Artificial

Los químicos de Oxford forman parte de un creciente número de científicos pioneros de la fotossíntesis artificial (combustibles solares), en la que la luz solar se utiliza para producir hidrógeno a partir de agua o compuestos de carbono reducido de CO2 utilizando principios similares a los utilizados por las plantas verdes. Esto requiere un material de recolección (clorofila en plantas) que usa luz para separar cargas (electrones y agujeros) y dos catalizadores (enzimas en sistemas naturales) – uno usa los electrones para convertir el agua en hidrógeno (o una fuente concentrada de CO2 en CO O formiato), el otro apaga los agujeros convirtiendo el agua en oxígeno. Los retos son asegurar que el catalizador capte todos los electrones que necesita para completar la conversión química sin que se pierdan cargas y soportar robustez y escalabilidad. Las enzimas son los más eficientes de los catalizadores, y los químicos de Oxford están utilizando enzimas conectadas a semiconductores adecuados para establecer los principios para la captura eficiente de electrones y altas tasas de reacción que deben proporcionar los principios de diseño para futuros sistemas no biológicos.

La energía solar concentrada (CSP)

La concentración de luz solar mejora la eficiencia potencial de los sistemas térmico y fotovoltaico. Los físicos e ingenieros de Oxford han desarrollado un novedoso sistema para concentrar la luz solar (para el cual se han presentado patentes) basado en reflexiones sucesivas de dos espejos, que (en contraste con el espejo simple usualmente usado) tienen formas muy simples y son fáciles de fabricar. A pequeña escala, este sistema podría utilizarse para enfocar la luz sobre las células fotovoltaicas, lo que aumenta en gran medida la electricidad que una determinada zona de células puede producir. A mayor escala, podría utilizarse para producir electricidad mediante la conducción de un nuevo motor Stirling que los físicos e ingenieros de Oxford están desarrollando, que podría ser alimentado con calor de quema de biomasa cuando el sol no brilla. Actualmente, el objetivo principal es utilizar los dos sistemas de espejo como una fuente simple y barata de energía renovable para cocinar, lo que podría ayudar a reducir el 1,5 millones de muertes (principalmente de niños y mujeres en países en desarrollo) causadas cada año por la ingestión de partículas de humo generadas por la cocina al interior.

Prof. Andrew Watt