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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

Estratégicas específicas para los fabricantes de automóviles establecidos

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La movilidad es un reto enorme, especialmente en las ciudades urbanas congestionadas y contaminadas. Algunas ciudades han centralizado los sistemas de transporte; otros se basan en las fuerzas del mercado y todavía otros utilizan una mezcla de centralización y mercados. La mayoría de los sistemas de movilidad urbana existente puede someterse a un proceso de transición importante en los próximos años. Según Neckermann (2015), la “revolución movilidad” dará lugar a emisiones cero, cero accidentes y la propiedad cero. Independiente de la amplia variación de las reglas de transporte público local, la nueva industria de la movilidad es, probablemente, en el borde de definición de un próximo diseño dominante.

Lo que pocos líderes de opinión pueden estar de acuerdo es cuándo y en qué grado esto sucederá. ¿Cuáles serán las futuras tasas de crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos? Nadie sabe a cual precio las baterías pueden bajar. Asimismo, no se sabe cómo y dónde se utilizarán los autos sin conductor o en qué medida los autos serán compartidos. Por último, pero no menos importante, no sabemos cual empresas serán parte del nuevo diseño de transporte dominante.

Los fabricantes de automóviles establecidos se enfrentan a decisiones difíciles. En este punto, debemos tener en cuenta la integración social de estas empresas en la industria del automóvil (Holweg y Oliver, 2016) y lo difícil que será cambiar la infraestructura y las redes existentes. Un gran dilema de los fabricantes de automóviles dominantes podría ser la obligación de mostrar rentabilidad a sus inversionistas que a lo mejor no están dispuestos a aceptar inversiones (y perdidas iniciales) para nuevas infraestructuras y redes. Tal vez los inversionistas prefieren protegerse contra los riesgos por su cuenta mediante la inversión en empresas más pequeñas y más ágiles que están mejor preparados para enfrentar los desafíos de la revolución de la movilidad. A veces no podemos creer que los fabricantes de automóviles grandes o gigantes de gas y petróleo podrían enfrentar problemas de existencia, pero algunas predicciones indican que esto es exactamente lo que sucederá.

Fabricación Global de vehículos

Alrededor de 40 empresas en el mundo produjeron 100.000 autos o más en 2014 (Holweg y Oliver, 2016), y las empresas establecidas están bajo la presión de los fabricantes de países emergentes como China e India. Los cuatro mayores fabricantes -Volkswagen, Toyota, GM y Ford- cuentan con alrededor de un tercio de los ingresos globales. En los últimos años, la industria del automóvil madura se caracteriza por las fusiones y adquisiciones, alianzas y líneas de montaje lo más cerca posible a los mercados de destino. El tamaño es un factor importante, aunque no el único, que ayuda a los fabricantes a hacer uso de economías de escala. Encontrar el equilibrio entre las preferencias de los consumidores individuales y la producción en masa es un reto constante que se enfrenta la industria. Una estrategia común es el uso de los mismos componentes a través de múltiples marcas y modelos, alcanzando economías de escala al menos por debajo de la superficie de diseño. Holweg y Oliver (2016) investigó los factores que tienen la mayor influencia sobre los fabricantes de automóviles para sobrevivir en tiempos de crisis: El alcance del mercado es importante para la cobertura contra los riesgos de modo que los fabricantes no dependen del ciclo de la economía de pocos mercados. Además, el apoyo de las partes interesadas de los inversionistas, proveedores, sindicatos de trabajadores, los bancos y los gobiernos ha desempeñado históricamente un papel importante para el rescate de empresas de automóviles en crisis.

Vehículos compartidos

Compartir vehículos y es conocida sólo en unas pocas ciudades, en cuales empresas como Zipcar y Mercedes proporcionan los autos para compartir en los espacios céntricos de la ciudad. Se trata de un alquiler que los clientes pueden dejar el vehículo donde quieran dentro de los perímetros de la ciudad. El concepto de compartir autos difiere de servicios independientes como Uber y Lyft. Los fabricantes de automóviles podrían proporcionar directamente los vehículos para ambos modelos de negocio, haciendo uso de modelos financieros como el leasing. Uber aparentemente recibió más de USD 9 mil millones (CrunchBase, 2016) en su financiación y Lyft fue capaz de atraer a un inversor de alta calidad, GM. Otros fabricantes, si todavía no están involucrado, deben actuar muy rápido. Uber y Lyft no van a dejar de crecer, y empresas similares, como Hailo, GetTaxi, así como Sidecar o Ridejoy, están tratando de ofrecer alternativas. Debido al reciente éxito del modelo de movilidad compartida, estas empresas pueden convertirse en los mayor compradores (directo o indirecto) de vehículos.

Vehículo autónomo debe ser el segundo foco de atención

La industria del automóvil necesita  involucrarse en el desarrollo y fabricación de esto tecnología, y de hecho ya lo esta haciendo. Se eliminará el “peligro” de las decisiones humanas; también permitirá que las personas con discapacidad, niños u otras personas sin la capacidad para conducir por su cuenta propia pueden utilizar los servicios de transporte de manera más rentable y cómodo. Sin embargo, servicios más complejos pueden requerir todavía conductores profesionales, por lo menos en el ínterin.

Por lo tanto, la estrategia de los fabricantes de automóviles podría ser un proceso de dos pasos. En primer lugar, involucrarse en el transporte compartido y, a continuación, una vez disponible para uso comercial, agregar vehículos sin conductor a la flota existente. Una vez más, ambas estrategias son importantes para tener un mercado inmediato para lanzar nuevos modelos. Lo más probable es que estos escenarios sean parte de la demanda de servicios de transporte dentro del nuevo diseño de la movilidad dominante.

La reducción de emisiones

Los vehículos eléctricos parecen ser el enfoque más prometedor. Seba (2015) hizo una lista de nueve argumentos de por qué los vehículos eléctricos interrumpirán motores de combustión convencionales dentro de un corto período de tiempo (su predicción es que el 100% de las nuevas ventas serán eléctrica en 2030). Algunos de los argumentos más fuertes incluyen que los vehículos eléctricos son mucho más eficientes energéticamente, “diez veces más barato” y “diez veces más barato de mantener”. Las ventas de automóviles actuales están dominados por Tesla seguido por GM (Chevrolet Volt) y el tipo de cliente parece que son las personas que están dispuestos a pagar más por un auto eléctrico. Un auto eléctrico tiene características superiores comparables con los autos tradicionales. Por lo tanto, al menos para los clientes existentes, la diferencia de precio podría ser un factor menos importante en la decisión de compra. Estimaciones indican que para el año 2022, los vehículos eléctricos costarán lo mismo que los autos de combustión interna, proporcionando el punto de despegue para las ventas masivas de los vehículos eléctricos. Tarde o temprano, los vehículos de combustión no pueden competir más con los vehículos eléctricos. Implicaciones estratégicas para los fabricantes de automóviles serían la participación en la fabricación de vehículos eléctricos competitivos, la construcción de una red de proveedores correspondiente y la adaptación de los canales de distribución.

Curiosamente, en una encuesta realizada por Consumer Reports (2014), se informó de que muchos concesionarios de automóviles autorizados que en realidad podrían ofrecer autos eléctricos desaniman a los clientes de comprar uno. Una de las razones podría ser que los vehículos eléctricos crean el dilema de mucho menos ingresos de postventa que representa alrededor el 10% de los ingresos y un porcentaje aun mayor de las ganancias totales del concesionario de automóviles. Este es un tema importante de resolver para los fabricantes que desean mejorar las ventas de automóviles eléctricos. 

Zonas de cero emisiones

Zonas de bajas emisiones ya están implementadas en cientos de ciudades en EuropaEl alcalde de Londres anunció la implementación de una zona de emisión “ultra baja”; Sin embargo, la información de una ciudad con una zona de emisión cero no está disponible. Esta podría ser exactamente la oportunidad.

Implicaciones estratégicas para los fabricantes de automóviles

Teniendo en cuenta la importancia de los costos del conductor y del combustible en la cadena de valor del transporte, los fabricantes de automóviles deben involucrarse activamente en eliminar, o al menos minimizar, estos factores de costo. Un exitoso desarrollo, fabricación y distribución de tecnologías relacionadas con la participación en un diseño innovador de movilidad podrían dar a los fabricantes de automóviles una cuota de mercado sólida y una ventaja competitiva.

Sascha Koslowsky

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

Investigación en Transporte

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El transporte representa casi un tercio del consumo de energía total del mundo. Se estima que el uso de energía en el transporte crecerá un 38% de 2010 a 2030, ligeramente más rápido que el uso total de energía, según un escenario de la Agencia Internacional de Energía (AIE). La moderación de este crecimiento es claramente de importancia crítica para asegurar la seguridad energética en el futuro y reducir los niveles del cambio climático (la AIE piensa que el crecimiento hasta 2035 podría reducirse al 17%).

El diseño de las ciudades en rápido crecimiento del mundo para proporcionar infraestructura de bajo carbono y para fomentar el uso de modos de transporte de bajo impacto, como caminar o andar en bicicleta, son críticos a medida que la urbanización se acelera. También existen importantes oportunidades para mejorar la eficiencia energética en todos los sectores del transporte, siendo los principales el transporte por carretera, que representa el 73% de la energía de transporte (52% vehículos ligeros, 17% camiones, 4% autobuses), aviación (10%), marino (10%) y ferrocarriles (7%). Se espera que las emisiones de carbono se reduzcan en el futuro cambiando a vehículos híbridos y eléctricos. Pero estos interruptores sólo serán eficaces si el suministro de electricidad está suficientemente descarbonizado y las emisiones se minimizan durante todo el ciclo de vida.

Investigación en Oxford

Oxford se ocupa de todas estas áreas, desde el diseño de mejores infraestructuras, mediante el fomento de movimientos de transporte de bajo impacto, la mejora de la eficiencia de los motores, el diseño de materiales más ligeros para automóviles y aeronaves y el desarrollo de nuevos motores eléctricos.

Transporte en las ciudades

La investigación de ciudades en Oxford ha involucrado el análisis de escenarios utilizando nuevas técnicas de ‘backcasting’ para establecer futuras alternativas y diseñar paquetes de políticas que logren reducciones significativas en el consumo de energía y las emisiones de carbono. Un modelo de simulación ha sido desarrollado para probar intervenciones alternativas, y esto ha sido complementado por un modelo de evaluación – las aplicaciones incluyen Londres, Oxfordshire, Delhi, Auckland y Jinan. Las medidas económicas se están desarrollando mediante una asociación con el Banco Asiático de Desarrollo y la AIE para explorar el potencial de créditos de seguridad de combustible que permitiría una pequeña prima sobre el combustible en los países más ricos para invertir en infraestructura limpia en las ciudades asiáticas.

Como parte de la investigación del Instituto de Carbono y Reducción de la Energía en el Transporte (ICERT) de la Escuela Oxford Martin, se ha desarrollado un modelo que combina un módulo técnico que analiza diferentes tecnologías y combustibles, con un módulo de mercado y un módulo de difusión para determinar el aprovechamiento de las nuevas tecnologías. El modelo puede explorar diferentes futuros tecnológicos a lo largo de una serie de periodos de tiempo, mirando diferentes estructuras de incentivos, estrategias de precios y cómo los diferentes segmentos de mercado podrían adoptar tecnologías híbridas, eléctricas y de otro tipo. Esta investigación se desarrollará aún más a través de nuevos proyectos importantes sobre complejidad y sobre innovación y demanda de energía.

Tecnologías de transporte con menor contenido de carbono

Trenes de accionamiento

La investigación sobre los trenes de potencia para vehículos eléctricos y hidrógenos condujo al Morgan LifeCar (el primer coche deportivo de hidrógeno). Investigaciones adicionales han llevado al desarrollo de una herramienta avanzada de software, OVEM (Oxford Vehicles Model), que se está utilizando para explorar las sinergias entre los componentes de las nuevas configuraciones del tren de potencia.

Motores de combustión interna

Los físicos e ingenieros, en colaboración con Jaguar Land Rover, BP y Shell, han desarrollado nuevas técnicas para medir la temperatura dentro de las cámaras de combustión que se están utilizando para mejorar el diseño de la próxima generación de motores y combustibles, incluyendo los biocombustibles. También se están desarrollando nuevas aleaciones ligeras de alta temperatura para pistones y aplicaciones relacionadas.

Componentes para el vehículo eléctrico

Los ingenieros de Oxford continúan desarrollando motores de bajo peso y de alta eficiencia utilizando nuevos materiales y técnicas de transferencia de calor. Un éxito temprano está siendo llevado adelante por una compañía spin-out (Yasa Motors). El trabajo en curso incluye la investigación en nuevas máquinas eléctricas que no contienen imanes permanentes y el desarrollo de nuevos condensadores de potencia nanocompuestos de polímero ligero para los aviones eléctricos.

Un programa de investigación riguroso sobre la comprensión de las vías de degradación de las baterías y los motores eléctricos, permitirá componentes más ligeros y de mayor duración, al empujar el límite de rendimiento sin comprometer la esperanza de vida.

Prácticas de control y conducción

Los ingenieros están trabajando con Ferrari en los sistemas de control necesarios para satisfacer la mejora en la eficiencia de combustible de alrededor de un tercio requerida en 2014 (a través de la recuperación de energía mejorada y la carga turbo avanzada) sin comprometer el rendimiento.

Prof. Malcom McCulloch

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