Archivo para la categoría 'Nanotecnología y Medio Ambiente'

Nanocemento y aplicación de nanopartículas de sílice en su composición

Por: J. Hortelano

La construcción ha sido uno de los principales retos del ser humano desde el principio de su existencia, gracias a lo cual, ha sido uno de los campos donde más se ha invertido, lo que le ha hecho evolucionar desde las construcciones más básicas hasta edificios de formas imposibles y alturas impensables.

 Este progreso ha sido capaz gracias al avance de la física y la ingeniería y, con ello, de la aparición de nuevos materiales que han hecho realidad la imaginación de los arquitectos. Materiales que han ido apareciendo y evolucionando, de forma continua, dependiendo de las necesidades y retos que se planteasen. Así el cemento, material que se emplea desde la Antigua Grecia y Roma, ha evolucionado de mano de la nanotecnología mejorando sus prestaciones, coste o impacto ambiental, ya que la fabricación de cemento produce entre el 5% y el 10% del CO2 del mundo. Dentro de la fabricación del cemento, uno de los constituyentes más importantes es la sílice, obtenida de la arena, ya que comprende en torno al 20% de su composición. Pese a ser indispensable para la fabricación del cemento, el polvo producido durante su procesado contiene sílice en forma cristalina, perjudicial para la salud, ya que provoca una grave enfermedad pulmonar conocida como silicosis.

El nanocemento, cemento que contiene elementos constitutivos con dimensiones entre 1 y 100 nm, tiene un amplio campo de estudio ya que se trata de un material poroso donde existen huecos de tamaño nanométricos, en donde se produce el proceso de hidratación e interacción entre componentes para su fraguado. Un nanomaterial correctamente diseñado y desarrollado produce resultados mejores y más económicos que los materiales tradicionales, gracias a la estabilización y refuerzo de la materia a dicho nivel nanométrico. Así, creando una nanopartícula de sílice, la interacción entre ella y la caliza (esencial para el fraguado del cemento) es más rápida y está más controlada, rellenando los poros nanométricos y produciendo una mejor cohesión, convirtiendo las partículas de nanosílice en partículas de nanocemento.

nanocemento

Imágen de microscopía electrónica de nanosílice.                 

La nanosílice es un producto creado y desarrollado por la compañía Cognoscible Technologies  bajo el nombre de “Gaia nanosílice” y que supera con creces las características que se obtenían con las partículas de sílice utilizadas hasta el momento, de las cuales las más importantes son:

· Económicas:

La utilización de nanocemento supone una gran disminución en el coste, tanto en la fabricación como en la utilización.

La fabricación de un nanocemento supone un menor empleo del principal componente del cemento, el clinker, de cómo mínimo un 40% menos, lo que supone un  gran ahorro de recursos. En cuanto al uso, disminuye el empleo de aditivos como plastificantes, endurecedores, etc. ya que la nanosílice confiere dichas características y, gracias a ello, también disminuye la relación agua/cemento.

· Mecánicas:

La nanosílice produce un incremento notable de la resistencia mecánica, sobre todo a edades muy tempranas obteniendo resistencias superiores tanto a tracción como a compresión  frente  a  los cementos clásicos.  Así  se  ha demostrado que lo que antes requería una viga de 2 metros de grosor para aguantar correctamente a los puentes, ahora sólo requiere 75 cm. Si antes había que esperar 28 días para alcanzar altas resistencias, ahora sólo hay que esperar 1 día.

Mejora las características frente al desgaste y una mayor resistencia frente a la aparición de grietas, lo que implica un menos mantenimiento.

Reduce la permeabilidad y porosidad, grandes resistencias químicas y no contiene cloruros ni ningún otro material, lo que le hace ideal para su uso en hormigón armado.

estudio resistencia

Estudio de resistencia a compresión.

· Medioambientales:

Es el aspecto más importante por todo lo que implica pese a la gran importancia de las características mecánicas y económicas. Esto es debido a que los nanocementos reducirán las emisiones de CO2 en su fabricación en un 50% por producirse a temperaturas más bajas que los clásicos. Y durante su utilización, durante el proceso de fraguado, debida a la emisión de oxígeno en lugar de CO2 gracias a la incorporación de picocatalizadores.

Además, al manejar la sílice en forma de nanopartícula, ésta se crea y emplea en dispersión en líquido, por lo que no existe desprendimiento de polvo y por lo tanto no hay peligro hacia la salud de los trabajadores que lo fabrican y manipulan.

El rival más fuerte del grafeno, el MoS2 (II)

Continuación del post (El rival más fuerte del grafeno, el MoS2)

Junto con otros materiales 2D o” thin-films” se podrían emplear en la fabricación de dispositivos planos luminiscentes como pantallas en ventanas de oficinas o de las casas, lentes para las gafas e incluso sensores. El material podría ser utilizado, en combinación con otros materiales 2D, para construir dispositivos emisores de luz. En lugar de producir un punto emisor de luz, una pared completa podría brillar, emitiendo luz más suave y menos fuerte. Además, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos) han caracterizado las propiedades mecánicas del disulfuro de molibdeno demostrando su potencial aplicación en dispositivos electrónicos flexibles. Por tanto, la antena y otros circuitos de un teléfono móvil podrían ser tejidos en la ropa, de tal manera que aunque se doblen seguirían manteniendo su funcionalidad.

Ventajas con respecto al grafeno

  1. El disulfuro de molibdeno tiene algunas de las propiedades similares al grafeno pero tiene una ventaja sobre éste dado que presenta un” bandgap” en su estructura electrónica que está ausente en el grafeno.
  2. La presencia de” bandgaps” hace que los semiconductores tengan  propiedades electrónicas especiales permitiendo emplearlos en dispositivos que puedan ser empleados en sistemas de encendido o apagado tales como los transistores, que son el “alma mater” de todos los dispositivos electrónicos modernos.
  3. El grafeno carece de esta zanja de energías prohibidas lo que hace de él un excelente conductor eléctrico, pero dificulta su uso directo para la fabricación de componentes electrónicos, sin embargo presenta otras propiedades increíbles y puede ser utilizado en óptica, electrónica y materiales estructurales, pero el MoS2 puede cubrir una gama de aplicaciones en electrónica que no puede hacer el grafeno.

Conclusiones

El disulfuro de molibdeno parece para ser una prometedora clase de material para la electrónica de última generación, como es que el único material 2D descubierto que tiene un “bandgp”  inherente. Con esta particularidad, el disulfuro de molibdeno allana el camino para el desarrollo de un nuevo dominio de materiales y dispositivos electrónicos. El futuro más cercano de este material es probable que vaya encaminado en diseñar la que probablemente se llamará “electrónica flexible”, por lo que la ropa inteligente e incluso las pantallas flexibles estarán un poquito más cerca de nosotros.

Punta de un AFM deformando la membrana de un micro-tambor de disulfuro de molibdeno. Imagen: Castellanos-Gómez et al.

Punta de un AFM deformando la membrana de un micro-tambor de disulfuro de molibdeno. Imagen: Castellanos-Gómez et al.

El rival más fuerte del grafeo, el MoS2 (I)

El disulfuro de molibdeno (MoS2) proviene de la molibdenita, un mineral de apariencia y tacto similar al grafito. Se produce en depósitos minerales hidrotermales de alta temperatura y es muy abundante en la Tierra.

El disulfuro de molibdeno (MoS2) es un material bidimensional (2D) que se ha utilizado durante muchos años como lubricante industrial en su forma a granel, debido a que su estructura laminar hace que tenga propiedades que lo hacen único en el campo de la tribología, de hecho el sulfuro de molibdeno se conoce desde hace unos 300 años cuando ya era empleado por artesanos en prensas y herramientas e incluso durante la segunda guerra mundial como reductor del desgaste y la fricción en las máquinas de guerra. A diferencia del grafito, que también es otro material empleado como lubricante, el MoS2 presenta menor desgaste y rozamiento. Sin embargo nunca había sido considerado como una plataforma 2D para dispositivos electrónicos, hasta que en el año pasado científicos de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne lograron producir un transistor de este nuevo material. Una de las claves de la electrónica del futuro es encontrar materiales semiconductores muy finos, duros y flexibles y probablemente el MoS2 sea un buen candidato.

Durante años, los investigadores han estado luchando con los retos técnicos de la construcción de circuitos electrónicos basados en el grafeno, pero con el disulfuro de molibdeno ya han sido capaces de desarrollar una amplia gama de componentes electrónicos. Parece ser que el primo hermano de los filosilicatos (el MoS2) podría abrir la puerta a una gama de productos radicalmente nuevos, desde paredes que brillan a ropa con dispositivos electrónicos incluidos y lentes con pantallas incorporadas. A continuación se enumeran las propiedades de disulfuro de molibdeno, que lo hacen tan atractivo en el mundo de la electrónica:

  • Es delgado y transparente.
  • Se puede depositar sobre otros materiales por técnicas bien conocidas como el CVD o el PVD.
  • Es capaz de retener grandes cantidades de tensión elástica sin fracturarse.
  • Su carácter semiconductor es natural y a diferencia del grafeno, el bandgap no es necesario inducirlo físicamente.
  • El bandgap varía con la tensión en el material, permitiendo que las propiedades electrónicas sean configurables.

A la vista de esto, se han realizado una serie de hallazgos que hacen del MoS2 un fuerte competidor del grafeno. De hecho presenta un bandgap que permite su empleo para la fabricación de transistores, así como una amplia gama de componentes electrónicos. Por ejemplo, podría ser utilizado para fabricar células solares de alta eficiencia, dado que si varía la tensión a través de una lámina de MoS2 variaría el bandgap, lo que  permitirá que diferentes partes de la célula sean capaces de absorber diferentes frecuencias de luz.

La estructura laminar del disulfuro de molibdeno. Los átomos de molibdeno se muestran en verde azulado y en amarillo en átomos de azufre. Créditos fotográficos: Wang et al, noticias de MIT.

La estructura laminar del disulfuro de molibdeno. Los átomos de molibdeno se muestran en verde azulado y en amarillo en átomos de azufre. Créditos fotográficos: Wang et al, noticias de MIT.

Recreación de un embudo de una lámina de MoS2 tensionado, para potencial aplicación en células solares. Imagen: MIT

Recreación de un embudo de una lámina de MoS2 tensionado, para potencial aplicación en células solares. Imagen: MIT

BATERÍAS LITIO-AZUFRE CON NANOPARTÍCULAS DE CARBONO

Por Álvaro Hernández Romero

Smartphones , bicis eléctricas,  el número de dispositivos móviles, está en continuo crecimiento en todo el mundo. Como consecuencia de ello, se han incrementado las necesidades de baterías cada vez más pequeñas y a su vez más eficientes. En el campo de las baterías de iones de litio, los científicos por ello están intentando avanzar en baterías como Litio-azufre

Un equipo dirigido por el profesor Thomas Bein de la universidad  Ludwig Maximilian de Munich y Nazar Linda de la Universidad de Waterloo de Canadá, han desarrollado un tipo de nanopartículas porosas de carbono, que usarán las moléculas de azufre para conseguir la mayor efectividad posible.

En los prototipos de baterías de Litio-Azufre, los iones litio, se intercambian entre electrodos de Litio y Azufre-Carbono.

El azufre juega un papel fundamental en éste sistema. Bajo circunstancias óptimas, puede absorber dos iones de litio por cada átomo de azufre.  Por lo tanto podríamos decir que son un excelente almacenador de energía debido a su bajo peso.

Al mismo tiempo el azufre es un conductor bastante pobre, es decir los electrones se transportan con bastante dificultad en los procesos de carga y descarga. Para mejorar esto, los científicos, han generado fases de azufre cuyo área interfacial sea la mayor posible para la transferencia de electrones mediante el acoplamiento con un material conductor nanoestructurado.

Se ha desarrollado una red de nanopartículas de carbono poroso, donde las nanopartículas poseen de 3 a 6 nanometros de anchura de poro, permitiendo que el azufre se distribuya de forma uniforme. De ésta forma la mayoría de átomos de azufre están disponibles para aceptar iones de litio. Al mismo tiempo están localizados cerca de un carbono conductor.

En éstos nuevos dispositivos, el azufre es muy accesible eléctricamente gracias a las nanopartículas de carbono altamente porosas, y por otro lado, también se estabiliza, de manera que se puede llegar a una capacidad inicial de 1200mAh/g y poseen alta estabilidad cíclica.

La estabilidad del carbono también reduce el problema de los polisulfuros. Los polisulfuros forman productos intermedios en los procesos electroquímicos y esto puede tener un impacto negativo en la carga y descarga dela batería. La red de carbono se encarga de estabilizar y unir los polisulfuros . A su vez se recubre el carbono con una capa delgada de óxido de silicio de tal forma que se protege a los polisulfuros sin reducir la conductividad.

El material posee el mayor volumen de poros internos (2,32cm3/g) de todas las nanopartículas de carbono mesoporosas y una superficie muy grande de 2445m2/g. es como si tuviésemos un volumen de un terrón de azúcar y la superficie de diez canchas de tenis. Esto pronto podrá pertenecer a alguna de nuestras baterías.

http://www.azom.com/news.aspx?newsID=32633

Nanobosques capaces de generar energía limpia

Por Alejandro Ordóñez Fontes

Universidad de California, un grupo de ingenieros eléctricos están construyendo un bosque de “nanotrees” con el fin de capturar energía solar de forma limpia sin usar combustibles fósiles. Estos diminutos “nanotrees” son capaces de transformar el agua en combustible de hidrógeno, a partir de la energía solar, y sin necesidad de usar combustibles fósiles.

Estos ‘nanotrees’ están formados por abundantes materiales naturales como el silicio y el óxido de zinc, por lo que ofrecen un medio económico para entregar combustible hidrógeno a gran escala. “Es una manera limpia de genera combustible”, afirma Deli Wang, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computadores en la UC San Diego Jacobs School.

La estructura vertical de estos árboles y sus ramas, son clave en la captura de la máxima cantidad de energía solar. Ya que las superficies planas simplemente la reflejan. Es una estructura similar a los fotorreceptores situados en la retina del ojo humano. En las imágenes que se toman de la Tierra desde el espacio, la luz se refleja en las superficies planas como océanos o desiertos, mientras que los bosques aparecen correctamente. Esta estructura vertical además maximiza la producción de gas de hidrógeno,“Por ejemplo, en la superficie plana del fondo de una olla de agua hirviendo, las burbujas debe ser grande para llegar a la superficie. En la estructura nanotree, las burbujas de hidrógeno se puede extraer aun siendo muy pequeñas mucho más rápido”,”Además, con esta estructura, hemos mejorado, por lo menos 400.000 veces, el área de superficie para las reacciones químicas”, dijo Sun.

El equipo de Wang ha imitado esta estructura en su “3D branched nanowire array” que utiliza un proceso llamado ‘photoelectrochemical water-splitting’ para producir hidrógeno en forma de gas. Water-splitting hace referencia al proceso de separación de agua en oxígeno e hidrógeno. Los procesos actuales que realizan esta función se basan en electricidad procedente de combustibles fósiles.

“El hidrógeno está considerado como combustible limpio ya que no emite carbón, en comparación con los combustibles fósiles. La tecnología actual permite obtener hidrógeno pero no de una forma limpia”, comenta Ke Sun, estudiante de doctorado que dirige el proyecto.

Referencias Universidad de San Diego

NUEVAS CÉLULAS SOLARES BASADAS EN GRAFENO Y ÓXIDO DE ESTAÑO E INDIO

Investigadores del MIT desarrollan un nuevo uso del grafeno recubierto con nanohilos.

Investigadores del MIT han producido un nuevo tipo de células fotovoltaicas basadas en capas de grafeno flexible recubiertas con nanohilos. La investigación podría generar células solares de bajo precio, flexibles y transparentes que podrían ser utilizadas en, por ejemplo, ventanas, tejados u otras superficies expuestas a radiación solar. Este tipo de células solares se engloban en el grupo de las thin films.

Ejemplo de Thin Film - Célula Solar Flexible

Las células solares con alto rendimiento de hoy día están hechas en base silicio, por lo que continúan siendo bastante caras puesto que el silicio se fabrica con una altísima pureza y se procesa para lograr monocristales de muy bajo espesor. Por esta razón se buscan alternativas como células solares basadas en nanoestructuras o híbridas; un ejemplo es el ITO, óxido de indio y estaño, usado en la fabricación de células solares como electrodo transparente.

 “El ITO  es el perfecto material para la fabricación de electrodos transparentes”, es lo que sugiere Gradečak ; como en las pantallas táctiles de los Smartphone. Pero el indio es un material de alto coste mientras que el grafeno se constituye de carbono. La alternativa que propone Gradečak debe ser de bajo coste y generar nuevas ventajas incluyendo flexibilidad, bajo peso y buenas propiedades químicas y mecánicas.

Construir semiconductores directamente en una capa limpia de grafeno sin perjudicar su conductividad eléctrica y propiedades estructurales ha sido la meta a seguir debido a la estructura estable del grafeno. En el equipo de investigación han utilizado recubrimientos de polímeros P3HT para modificar sus propiedades, permitiéndoles utilizar una capa de nanohilos de óxido de estaño e indio para generar un material que responda a ondas de luz.

Los investigadores aseguran que a pesar de las modificaciones causadas por los recubrimientos, las propiedades del grafeno se mantienen intactas, dotando al material de numerosas ventajas como material híbrido. Se ha demostrado que los dispositivos de base grafeno se pueden comparar en cuanto a eficiencia a los realizados en ITO. Además, a diferencia de los semiconductores crecidos a alta temperatura, la solución basada en deposición de nanohilos de óxido de estaño e indio sobre grafeno, se puede llevar a cabo a temperaturas inferiores a 175°C. El proceso de fabricación a gran escala se realiza mediante un proceso de sintetizado por CVD (deposición química en fase vapor) donde los polímeros cubren al grafeno en capas. Los investigadores afirman que el tamaño no es un factor que limite el proceso y el grafeno puede fabricarse en forma plástica o cristalizada.

Ésta producción a gran escala no ha sido probada por el momento, siendo media pulgada el máximo tamaño producido pero los investigadores no creen que la gran escala sea el problema del proceso, llegando a afirmar que en un par de años se podrían encontrar dispositivos en el mercado basados en este tipo de tecnología. Por otro lado, son varias las voces que se alzan para poner un cortapisas a este nuevo material, alegando que los posibles avances están todavía en el aire y queda un largo camino para encontrar una calidad adecuada que garantice el logro de este material; todo ello sin menospreciar las aplicaciones logradas por este grupo de investigadores.

Estructura en capas de una célula solar

La imagen muestra la estructura de capas del nuevo elemento, comenzando con una capa flexible de grafeno. Una capa de polímero lo recubre y posteriormente una capa de nanohilos; finalmente, una capa de un material que pueda atrapar la energía solar como por ejemplo puntos cuánticos o un material de base polimérica. Cortesía del grupo de investigación.

Células fotovoltáicas nanotexturizadas

Por Yolanda Rodríguez García

La cantidad de energía que consume la humanidad es tan grande que, ni siquiera cortando todas las plantas del planeta y quemándolas para obtener combustible, lograríamos obtener la mitad de energía que necesitamos en un año. Sin embargo, cada hora es irradiada por el sol casi diez veces más energía de la que consumimos anualmente. Con tan sólo un 5% de esa energía tendríamos suficiente para cubrir las necesidades energéticas del planeta. Por ello, actualmente se están dedicando enormes esfuerzos para tratar de aprovechar al máximo la energía solar.

Una de las formas de aprovechar esta energía es mediante paneles fotovoltaicos fabricados a partir de células fotovoltaicas. De las distintas generaciones que existen de células fotovoltaicas, la más implantada en el mercado es la que utiliza como material semiconductor el silicio cristalino. De hecho, ocho de cada diez módulos fotovoltaicos instalados en todo el planeta están fabricados con este material.

En la fabricación de las células fotovoltaicas, cada etapa que forma parte de su procesado es esencial para que su funcionamiento sea óptimo y se logre alcanzar una eficiencia cuanto más alta mejor, de modo que se consiga un mayor aprovechamiento de la energía solar.

Cuando hablamos de células fotovoltaicas de silicio, una de las etapas más importantes de este proceso es el texturizado. Esta etapa consiste fundamentalmente en un ataque de la superficie de la oblea con varios objetivos. Por una parte se eliminan las impurezas presentes introducidas tras el corte y se minimiza el daño superficial producido por éste. Por otro lado, como la superficie tras el texturizado queda con una pequeña rugosidad (inapreciable a simple vista), se minimiza la reflexión de la luz incidente, absorbiéndose por tanto mayor cantidad de fotones, y aumenta la superficie de contacto o área efectiva de la célula. Con la etapa de texturizado se consigue reducir la resistencia en serie de la célula y aumentar la densidad de corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto, con lo que, en definitiva, se logra aumentar la eficiencia de la célula final.

Actualmente existen diversas técnicas para llevar a cabo la etapa de texturizado. Algunas de ellas se pueden utilizar a nivel industrial y otras, debido a su complejidad, sólo se utilizan en laboratorios. Algunos de estos métodos son:

  • Mecánicos: se fricciona la oblea contra una superficie que tiene una forma determinada.
  • En disolución acuosa: estos son los más utilizados a nivel industrial. Pueden ser texturizados alcalinos, los cuales producen un ataque selectivo según sea la orientación cristalográfica de los granos de la oblea (por tanto, se suelen usar para silicio monocristalino) y dan lugar a pequeñas pirámides en la superficie de la misma, y texturizados ácidos, los cuales son isotrópicos (el ataque no depende de la orientación cristalográfica del grano) y que, por lo tanto, es más apropiado para ser utilizado con substratos de silicio poli o multicristalino. Tanto el texturizado alcalino como el ácido consisten en una serie de baños químicos de distintas composiciones que van oxidando y retirando de manera alterna parte de la superficie de la oblea.
  • Mediante el bombardeo de la superficie con plasma.
  • Técnicas fotolitográficas: se utilizan en laboratorios para obtener pirámides invertidas en la superficie de la oblea o granos esféricos que constituyen el llamado texturizado de panel de abeja.

 Células fotovoltáicas nanotexturizadas

Superficies resultantes tras distintos tipos de texturizado.

 

La eficiencia conseguida para la mayoría de los dispositivos que se fabrican de manera industrial, es de alrededor del 16%, debido a las características propias del material de partida y a la tecnología de célula utilizada. Eso significa que de la energía solar que les llega, sólo un 16% es transformada en energía eléctrica.

En el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), en Pamplona, se está yendo más allá, y se está investigando para poder aplicar la nanotecnología en procesos industriales de fabricación mejorando el grado de eficiencia energética de las células. Desde aproximadamente finales de 2009 trabajan en un proyecto conjunto con la Fundación para la Investigación y Desarrollo en Nanotecnología (FideNa) llamado "Células fotovoltaicas nanotexturizadas2. Dicho proyecto consiste en realizar estructuras de tamaño nanométrico (por debajo de 300 nm) en la superficie de las células fotovoltaicas. Estas estructuras constituyen un patrón repetitivo de puntos, rayas o columnas de tamaño nanométrico que se graban en la superficie de la célula. Dado que los fotones viajan desde el sol hasta la Tierra en forma de ondas, de lo que se trata es de que las estructuras en la superficie de las células sean de aproximadamente el mismo tamaño que esas longitudes de onda, de manera que, cuando la onda llegue a la superficie, no la vea plana sino rugosa. De esta forma, la reflexión en la superficie de las células se reducirá aproximándose a ser nula, y se mejorará la absorción en el silicio, de modo que se conseguirá un alto nivel de radiación que penetra en la célula, pudiéndose producir una mayor cantidad de energía.

Se estima que en cinco años, los módulos fotovoltaicos de los hogares estarán fabricados con células nanotexturizadas.

Otras fuentes consultadas:

http://www.rtve.es/television/20110527/mundo-abajo-arriba/435079.shtml

http://pveducation.org/pvcdrom

Si una capa funciona, ¿por qué no varias? Células fotovoltaicas

Por Francisco Javier Caballero Solana

El término fotovoltaico define el proceso físico consistente en transformar la energía luminosa en eléctrica por medio de una transferencia de energía de los fotones de la luz hacia los electrones del material. Este principio fue descubierto por el físico francés Becquerel y explicado por Einstein en 1905, que lo llamó, el efecto fotoeléctrico, y por el que recibiría el Premio Nobel en 1921.

Si el rendimiento de las células fotovoltaicas ha crecido enormemente en la última década, sin embargo, hacia el 20%, se marcó un punto de inflexión en esta progresión, que se ha estancado en torno al 25%. Afortunadamente, los laboratorios de investigación están encontrando algunas pistas y soluciones para impulsar la eficiencia de las células fotovoltaicas a niveles antes inimaginables.

La máxima eficiencia de las células fotovoltaicas es simplemente un límite físico: Las células actuales que contiene una sola unión (la zona de contacto entre los dos capas de Silicio), y tienen un límite máximo teórico de 33,5%, denominado "el límite de Shockley-Queisser". Esta limitación es consecuencia de pérdidas energéticas que se producen en el proceso fotoeléctrico: Si el fotón incidente tiene menos energía que el hueco de banda (gap) del material semiconductor, los electrones no podrán pasar a la banda de conducción, con lo cual dichos fotones no podrán ser absorbidos. Por tanto ningun rayo de luz con menos energía que el gap del semiconductor podrá ser aprovechado por la célula solar. Cuando el fotón incidente sobrepasa la energía del gap del semiconductor, este exceso energético se transformará en pérdidas térmicas, ya que el electrón solo puede aprovechar la energía exacta del paso de la banda de valencia a la banda de conducción.

Por lo tanto, debemos encontrar tecnologías de ruptura respecto a las células actuales.  Existen numerosas investigaciones en curso sobre los paneles y la electrónica. El próximo paso tecnológico será comercializar con éxito la célula multiunión.

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Este es un concepto antiguo, patente de Texas Instruments ¡Desde  1955! Pero ahora tenemos a la alcance de la mano la oportunidad de mover esta tecnología a una etapa comercial. La idea es bastante simple: Las células solares multiunión aprovechan mejor el espectro solar por tener múltiples capas de semiconductores con diferente hueco de bandas. Todas las capas son fabricadas con materiales diferentes, semiconductores III-V es lo más utilizado, y cada uno absorbe una porción diferente del espectro. La capa de mayor hueco de banda se colocará en la parte superior de modo que sólo los fotones más energéticos son absorbidos en esta capa. Los fotones menos energéticos deberán atravesar dicha capa superior, ya que no serán suficientemente energéticos para generar EHP (pares electrón-hueco) en el material. Según penetramos en el material, desde la parte externa hacia el interior, habrá un hueco de banda menor que la anterior. Cada capa absorberá así los fotones que tienen energías superiores a los huecos de banda de esa capa y nada del hueco de banda de la capa superior.

La forma más común de la célula solar multiunión es la de tres capas, lo que se llama una célula solar triple-unión. Por ejemplo, una composición de semiconductores GaAs, Ge y GaInP2  se utiliza actualmente con fines aeroespaciales. Con la salida de las células multiunión, se cambia verdaderamente de dimensión, ya que el límite teórico es ahora del ¡ 83% ! Por ahora, los mejores laboratorios ya han alcanzado el 43% (Solar Junction, California, EEUU)

En un proyecto liderado por investigadores Españoles, junto con la colaboración de la Unión Europea y Japón, se tratará de llegar hasta el 45% de eficiencia. Rafael Kleiman, un investigador canadiense dice estar "seguro de que podemos producir células de vanguardia con un 50% de rendimiento antes de 2020."

Células solares fabricadas con semiconductores orgánicos

En relación al artículo publicado la semana pasada por Sergio Sánchez Force acerca de la mejora de células solares con nanomateriales, en este artículo se ofrece un resumen de las ventajas e inconvenientes del uso de células solares basadas en semiconductores orgánicos. No es la primera vez que en este blog publicamos artículos sobre esta línea de investigación en nanotecnología. Por ejemplo podéis encontrar otros artículos que analizan diferentes aspectos de estas células solares, y las propiedades de semiconductores orgánicos.

Por Santiago de Antonio Gómez

Aunque las células solares fabricadas con semiconductores orgánicos (http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica_de_pol%C3%ADmeros) son una tecnología aun en desarrollo ya hay grandes expectativas puestas en sus posibilidades. Numerosas empresas están invirtiendo en esta nueva tecnología con el fin de desarrollar y sacar partido a algunas de las características de estas células solares como puede ser su durabilidad y la facilidad en para disponer de los materiales  necesarios para su construcción.

Este tipo de materiales semiconductores ya se conocía desde hace tiempo pero es en el año 2000 cuando, a raíz de la entrega de un premio Nobel  por un trabajo realizado en este campo, se dispara el número de publicaciones relacionadas con el tema.

No existe una única tecnología bajo el nombre de fotovoltaica orgánica.  Si lo tomamos de forma literal, la expresión describe  a las células que utilizan como semiconductores a polímeros orgánicos. Pero bajo este nombre responde también otra tecnología: las células CSSC o DSC.

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Detalle de una célula solar fabricada con semiconductores orgánicos

A pesar de lo mucho que queda por hacer, sí que hay un número de ventajas de las células solares orgánicas frente a las clásicas de silicio (http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9ctrica). Las tecnologías que se acogen a este nombre producen células extremadamente finas, ligeras y flexibles. Por lo tanto, pueden utilizarse en lugares donde no pueden instalarse los módulos rígidos de silicio. Las células orgánicas tienen una ventaja añadida que no de debe ser desestimada cuando hablamos de aplicarlas  la industria de la ropa: se pueden colorear; si las ponemos en un bolso verde, las podemos aplicar el mismo tono verde de la tela. Si lo quieres rojo, pues rojo. El mismo argumento puede utilizarse cuando hablamos de integrarlas en edificios. Incluso podrían utilizarse como cristales de ventana, pues también se pueden dejar transparentes. Otra ventaja añadida frente a la fotovoltaica es que estas células no necesitan la incidencia directa del sol, como en el caso de la fotovoltaica, motivo por el cual se usan los seguidores solares, que encarecen la instalación. Las orgánicas son bastante insensibles al ángulo de llegada de la luz. Otro de los puntos a favor de esta tecnología es la previsión por parte de las empresas que trabajan en su desarrollo de que en poco tiempo, las células solares fabricadas con semiconductores orgánicos, podrán generar electricidad de una forma mucho más eficiente y competitiva que las actuales, fabricadas con silicio (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/300810d.html)

Por otro lado, sus mayores inconvenientes son las escasas eficiencias obtenidas (http://www.amazings.com/ciencia/noticias/221110c.html), las cuales, actualmente se encuentran  entre un 5-6%, aunque puede llegar a un 12% si se usan varias células apiladas y el hecho de que la duración de las células solares actuales fabricadas con silicio es muchísimo mayor que la de las fabricadas con semiconductores inorgánicos. Este hecho puede provocar que no sean tan económicas como se espera que sean.

A pesar de sus inconvenientes y ventajas no debemos perder de vista que su mayor potencial se basa en su versatilidad y en su capacidad de disponer de aplicaciones innovadoras, como por ejemplo la ropa, las ventanas o pequeños electrodomésticos lo cual abre un mercado que las células fotovoltaicas actuales no pueden alcanzar (http://erenovable.com/2009/04/17/siguen-trabajando-en-el-desarrollo-de-celulas-solares-organicas-2/).

Mejora de las células solares convencionales empleando nanomateriales

Por Sergio Sánchez Force

Las células solares son dispositivos que convierten la energía solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico de forma directa, o indirectamente haciendo previamente una conversión de energía solar en calor o energía química.

Las células 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 18%. (http://www.portalsolar.com/energia-solar-celdas-solares.html )

La 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. (http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/vida%20y%20tierra/celdasolar/index.htm)
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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. (http://erenovable.com/2007/08/22/paneles-solares-con-nanoparticulas-aprovechan-mucho-mas-de-la-luz-solar/)

Se ha descubierto que otra forma de mejorar la conversión de la luz solar, es incorporando nanopartículas de oro en material fotovoltaico orgánico.

Se procede colocando una capa de nanopartículas de oro en medio de dos capas absorbentes de luz, lo que incrementa la conversión de la luz solar hasta en un 20%. Las nanopartículas de oro crean un campo electromagnético muy fuerte dentro de las capas fotovoltaicas internas, lo cual concentra la luz mucho más y puede ser mejor absorbida por las capas. (http://www.pruebayerror.net/2011/08/nanoparticulas-de-oro-mejora-la-eficiencia-de-las-celdas-solares-organicas/)

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. (http://www.energiasrenovables.ciemat.es/index.php?pid=4000&tipo=noticias&id=3497)

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. (http://ellaboratoriodedarwin.blogspot.com/2009/10/mejorando-la-eficiencia-de-las-placas.html)

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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.

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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.

Más tarde, 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%. (http://www.renewableenergymagazine.com/energias/renovables/index/pag/fotovoltaica/colleft//colright/fotovoltaica/tip/articulo/pagid/17380/botid/21/)

Un método revolucionario que se ha desarrollado recientemente, es una “pintura solar” capaz de transformar las casas en generadores de electricidad. Esta pintura aún tiene que evolucionar para alcanzar la eficiencia de conversión de las células convencionales, pero es más barata de producir y se puede fabricar en grandes cantidades.

Esta "pintura solar" es el resultado de una investigación con nanopartículas de dióxido de titanio recubiertas con seleniuro de cadmio. Las partículas se mezclan con una base de agua-alcohol para crear una pasta amarilla, mientras que la mezcla de seleniuro de cadmio produce un color marrón oscuro. La mezcla de ambas pastas produce una pasta marrón que se acerca a un material conductor transparente, y al ser expuesta al sol crea electricidad. (http://www.gruponeva.es/blog/noticia/7318/pintura-solar-transformaria-las-casas-en-generadores-gigantes-de-electricidad.html)