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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

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

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