Estudio del efecto MEG en las células solares.

Buenas tardes a todos.

Voy a hacer una pequeña aportación al foro con algo de mi propia cosecha.

Éste pequeño proyecto de investigación se titula:

(El texto original lo hice en inglés, por lo que puede haber fallos o puntos que no se acaben de comprender).

Estudio del efecto MEG en células solares fotoelectroquímicas mediante el uso de nanorods funcionalizados en nanotubos de carbono.

Resumen:

Debido a la disminución de los recursos energéticos fósiles, varias investigaciones se han hecho sobre las energías renovables y más concretamente en el uso de células solares. El límite máximo del rendimiento convencional de células fotovoltaicas de Silicio (Si) está fijado actualmente alrededor de 31% debido al solo efecto de generación de excitones. El efecto de generación múltiple de excitones (MEG) podría superar este límite. En artículos anteriores, las investigaciones se han hecho sobre el uso de puntos cuánticos de CdSe (que tienen buenas propiedades de conversión de fotocorriente) en los nanotubos de carbono 'Stacked-Cup' (que tienen buenas propiedades eléctricas), pero teniendo en cuenta que el efecto MEG se ha descubierto en nanorods de PbSe en condiciones reales (con luz solar a temperatura ambiente), mi propuesta es la mejora en la eficiencia de las células solares fotoeléctricas mediante el uso de nanorods de PbSe funcionalizados en nanotubos de carbono 'Stacked-Cup'.

¿ Y si le ponemos bluetooth ? [Tienes que estar registrado y conectado para ver esa imagen]

CortoCortito escribió:

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"Penny... Todo es mejor con Bluetooth" (Sheldon Cooper. Uno de los grandes).

Dr House escribió:

CortoCortito escribió:

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Veo que tenemos gustos similares. [Tienes que estar registrado y conectado para ver esa imagen]

Sigo:

1. Introducción:

La energía ha sido el punto focal de las investigaciones durante varios años. De hecho, los combustibles fósiles no son ilimitados, y las fuentes de energía renovables se vuelven más y más interesante. Por lo tanto, se han realizado estudios sobre los diferentes recursos naturales como el viento, el agua y la luz con células solares. Sin embargo, las células solares tienen una eficacia limitada y no puede responder a las crecientes demandas de energía: que es la razón por la que recientes investigaciones de laboratorio se han llevado a cabo con el fin de aumentar esta eficiencia.

Hoy en día, las mejores células comerciales basados ​​en silicio monocristalino son capaces de producir con una eficiencia del 18%. Para las células solares convencionales, la eficiencia máxima calculada es 31%. Este valor corresponde al valor calculado por William Shockley y Queisser Hans, utilizando supuestos diferentes: una sola unión PN, un par electrón-hueco excitado por fotón entrante, la relajación térmica de la energía de un par electrón-hueco en exceso de la banda prohibida y la iluminación con luz solar no concentrada. Este valor teórico se puede pasar por no cumplir con los supuestos básicos, por ejemplo mediante el uso de varios cruces: la eficiencia límite es del 43% para los dos cruces (uniones) con la luz solar (no concentrado), el 49% para los tres cruces, y el 66% de los cruces infinitos.

Las células solares basados ​​en silicio son actualmente las más comercializadas, pero su eficiencia es mucho menor que el valor máximo de eficiencia (31%). Además, el coste de células basadas en silicio y en semiconductores es alto (por ejemplo, $ 19,734 para "Gridmaxx 10kw bulk solar panels bundle pack"), y tienen una vida útil limitada (25 años para el proveedor de referencia) y estabilidad. Debido al costo, las células fotovoltaicas apenas contribuyen al mercado de la energía. Debido a estas razones, la "tercera generación" de dispositivos son investigados, por ejemplo en base de carbono, células solares orgánicas, células fotoquímicas, etc.

1.1. Posibles mejoras en las células solares mediante el uso del efecto MEG:

Las células solares tienen sólo una eficacia limitada, debido a diferentes fenómenos. En primer lugar, algunos fotones que llegan a la superficie de las células solares se reflejan, y aquellos que se absorben deben tener una energía suficiente para crear excitones (si tienen una energía más baja, sólo se generan calor): esto limita la eficiencia de conversión de energía . En segundo lugar, la eficiencia tiende a ser menor cuando la temperatura aumenta: idealmente, las células necesitan continuamente ser enfriadas. Finalmente, el problema más importante es la recombinación electrón-hueco (recombinación de portadores de carga), lo que conduce a limitaciones del factor de relleno (Fill Factor).

Para contrarrestar una parte de estos problemas, una solución sería utilizar la generación de excitones múltiple (MEG). En las células solares reales, un fotón incidente sólo puede generar un excitón. Este factor de limitación restringe claramente la posible eficacia de la célula solar. Si un único fotón puede generar varios excitones, la eficiencia sería obviamente más alto. Afortunadamente, este fenómeno se ha observado en nanoestructuras de semiconductores tales como nanocristales y puntos cuánticos, y más recientemente en SWCNTs (Single Walled NanoTubes o Nanotubos de pared simple) con fotones incidentes de alta energía. De hecho, en este caso, el primera par electrón-hueco tiene una energía cinética suficiente para excitar a otro electrón y luego generar un excitón de nuevo. Este proceso se repite hasta que la energía perdida por el excitón no es suficiente para crear una nueva. El MEG es una técnica muy prometedora para las células solares de tercera generación. Sin embargo, la investigación adicional necesita ser realizada para tener una mejor comprensión de este fenómeno.

El efecto MEG se ha observado en nanocristales de CdSe que podríaN fácilmente funcionalizar CNTs (Nanotubos de Carbono) pero la brecha de energía de estos nanocristales es demasiado alta (aproximadamente 1,8 eV) y, de hecho, para las energías de banda prohibida superior a 1,4 eV, el efecto MEG no puede ser observado en condiciones ambientales debido al pequeño número de fotones solares con energías mayores que 2,8 eV.

Una mejora significativa del MEG se ha informado en nanorods PbSe: cuasi unidimensionales en comparación con nanocristales semiconductores de PbSe (estructura cero-dimensional). La forma más alargada de la nanorods se supone que para reducir la recombinación Auger, debido a que los excitones están más distantes uno del otro. De hecho, 2 excitones necesitan estar en estrecha proximidad con el fin de recombinar. La eficiencia del MEG aumentó el doble, de 0,41 a 0,81 y la energía Eg (energía de banda) se redujo de 3,43 a Eg (2,23 ± 0,03). La energía del fotón incidente tiene que ser al menos igual a 2Eg (límite teórico) para observar el MEG. Si el umbral se reduce, entonces el fotón incidente puede generar más excitones múltiples, lo que conducen a una mejor eficiencia de la célula solar. Basándose en los detallados modelos de equilibrio, las células fotovoltaicas con nanorods de PbSe, incluso deben lograr una mayor eficiencia de conversión de energía que los que utilizan nanocristales. La eficiencia también es mayor que el límite de Shockley-Queisser de 31% que se basa en la hipótesis de que sólo un excitón es generado por único fotón incidente. Para este límite se toma en cuenta la reducción del límite máximo de eficiencia del 44% debido a las pérdidas entrópicas. De acuerdo con este avance sobre los nanorods, este tipo de nanoestructuras utilizadas con los concentradores solares parece ser muy prometedor para aplicaciones fotovoltaicas.

1.2. Nanoestructuras basadas en el carbono:

Debido a sus propiedades tan interesantes, las estructuras basadas en el carbono podrían asociarse con las nanopartículas. El carbono es un material altamente estable, barato y no tóxico, que se puede obtener a partir de precursores que son abundantes en la naturaleza. Es un elemento notable que existe en variedad de formas estables (grafeno, nanotubos, fullerenos ...). Otra ventaja las células solares basadas en el carbono es que es más flexible y más ligero que las que se basan en el silicio. La célula solar basada en el carbono puede ser 10 veces más barato que la basada en el silicio.

El grafeno, nanotubos y fulerenos ya han sido utilizados para el mejoramiento de las células solares, pero decidí llevar a cabo más estudios sobre los nanotubos de carbono.

CNT con ​​heterouniones son de particular interés debido a su geometría única, así como excelentes propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas (peso muy bajo, alto módulo de elasticidad). CNTs son electroquímicamente muy activos en varios sistemas. El pequeño tamaño de los CNT permite producir productos transparentes (invisibles para el ojo humano) y podría ser utilizado en ventanas de edificios con el fin de aumentar el área de superficie de las células fotovoltaicos integrados en edificios.

Actualmente, las eficiencias obtenidas son sólo (> 1%), pero entonces la eficiencia proyectada de estas uniones se estima en (> 5%) cuando se considera la mejor absorción y acoplamiento electromagnético en una red de nanotubos.

Las nanoestructuras con base de carbono tienen un montón de ventajas, como hemos mostrado anteriormente. Se puede transportar y especialmente disociar portadores cuando se utilizan en células fotovoltaicas. Entre todos los tipos de nanoestructuras basadas en el carbono, los nanotubos 'Stacked-Cup' son particularmente interesantes.

Los nanotubos 'Stacked-Cup' (también llamado nanofibras de carbono) recientemente han atraído mucha atención, debido a sus numerosas ventajas respecto a otros tipos de nanotubos de carbono. Están hechas de capas de grafeno que forman una "copa abierta", que luego son apiladas en una morfología tubular de empaquetamiento compacto.

Menudo temazo ¿o no?.

Antes de continuar, me gustaría saber cómo añadir imágenes con el fin de ilustrar un poco todo ésto y así quede más claro y se haga más ameno.

Esta última imagen corresponde a un nanotubo de carbono 'Stacked-Cup', o nanofibra de carbono.

En primer lugar, su morfología da lugar a diferentes ventajas. Es hueco y tubular: esta estructura presenta un número muy importante de bordes reactivos, tanto en sus superficies exterior e interior. Estos bordes proporcionar un número importante de enlaces colgantes en ambas superficies, lo que puede conducir a la fácil funcionalización preservando al mismo tiempo el apilamiento. Esta es una gran ventaja comparado con SWCNTs, de hecho, características electrónicas SWCNTs se disminuyen a menudo cuando se funcionaliza, a causa de una interrupción en la red de carbono, y requieren un método de procesamiento complejo para la funcionalización. El apilamiento de las numerosas capas de grafeno también da un comportamiento semiconductor a este tipo de nanotubos, lo que es especialmente importante para aplicaciones fotovoltaicas. Los SCCNTs (Stacked-Cup Carbon Nanotubes) presentan un núcleo hueco más grande y una porción más grande en los extremos abiertos comparado con otro tipo de nanotubos de carbono, lo que hace resultar en un gran área disponible para la funcionalización química.

En segundo lugar, una de las mayores ventajas de SCCNTs sobre otros tipos de nanotubos de carbono es que tienen un beneficio práctico: una síntesis a gran escala y bajo coste de producción. Esto es principalmente debido a su rápida tasa de crecimiento y el bajo coste de los compuestos organometálicos utilizados para su fabricación.

El precio de los SCCNTs es generalmente mucho menor que el de CNT: SCCNTs costo entre 100 y 500 $ / lb, mientras que los CNT pueden costar desde 100 $ / libra a 750 $ / gramo o incluso más. El aumento del precio de los CNT se puede explicar por las técnicas de procesamiento más complejas para su funcionalización.

Los SCCNTs se puede combinar con puntos cuánticos de CdSe para la eficacia de los dispositivos de recolección de luz, especialmente células solares fotoelectroquímicas. Películas de SCCNT CdSe pueden ser depositadas sobre un electrodo mediante el uso de un método de deposición electroforética. Los diferentes tipos de metales (por ejemplo, Ag, Pt, Au, etc) puede ser impregnados selectivamente o homogéneamente en SCCNTs utilizando el método de impregnación.

Las eficiencias de las células basadas en los SCCNT son entre 5 y 15% que son bastante similares a las eficiencias de las células fotoelectroquímicas sobre la base de las películas nanoestructuradas de semiconductores, tales como TiO2, ZnO y CdS. El interés por las células solares orgánicas ha estado aumentando durante los últimos años debido a su bajo costo y su flexibilidad. Sin embargo, como la eficiencia de conversión de energía lograda sólo posee un pequeño porcentaje, más investigaciones se llevan a cabo sobre la adición de los nanotubos de carbono en este tipo de células con el fin de mejorar la eficiencia.

Y también son más baratos?

Dr House escribió:

Menudo temazo ¿o no?.

A mí me está interesando a pesar de entender menos del 10 %.

el.loco.lucas escribió:

Dr House escribió:

Menudo temazo ¿o no?.

A mí me está interesando a pesar de entender menos del 10 %.

A mi me interesan sus aplicaciones prácticas.

marapez escribió:

Y también son más baratos?

Según el artículo 'Comparative Study of Carbon Nanotubes and Carbon Nanofibers' publicado AZoNano Editors con información obtenida de la empresa Pyrograf Products: Las nanofibras de carbono tienen generalmente un precio muy inferior al de los CNT. Las nanofibras de carbono están disponibles en cantidades a granel que tienen un precio en el rango de 100 a 500 dólares por libra. Por otro lado, los precios de los nanotubos de carbono pueden variar con su calidad y pureza. El rango de precios más bajo es de alrededor de 100 dólares por libra y de alta calidad CNTs el precio puede subir hasta 750 dólares por gramo (unos 340000 dólares por cada libra) o incluso a veces más.

Mañana sigo con esto.

Es decir que obtendríamos energía solar a precio mas competitivo?. Lo he entendido bien?

el.loco.lucas escribió:

Dr House escribió:

Menudo temazo ¿o no?.

A mí me está interesando a pesar de entender menos del 10 %.

La nanotecnología me parece un tema fascinante. Pero como casi todo lo realmente fascinante tiene su grado de complejidad. Es el inconveniente que tiene.

Te sorprendería cuán acostumbrados estamos a la escala macroscópica. Es tal esa costumbre que simples principios de la mecánica cuántica (cuando pasamos a la escala nanométrica) nos parecen pura ciencia-ficción. Y creo que es esa costumbre la que nos impide asimilar simples conceptos relacionados con la física del estado sólido.

marapez escribió:

Es decir que obtendríamos energía solar a precio mas competitivo?. Lo he entendido bien?

Correcto. Aunque por ahora con menor eficiencia.

Dr House escribió:

marapez escribió:

Es decir que obtendríamos energía solar a precio mas competitivo?. Lo he entendido bien?

Correcto. Aunque por ahora con menor eficiencia.

Que se necesita para aumentar la eficiencia?

marapez escribió:

Dr House escribió:

marapez escribió:

Es decir que obtendríamos energía solar a precio mas competitivo?. Lo he entendido bien?

Correcto. Aunque por ahora con menor eficiencia.

Que se necesita para aumentar la eficiencia?

Eso lo dejo pendiente para mañana. Pero el principal objetivo de este proyecto es el estudio del efecto MEG. Si se estudia y se comprende bien dicho efecto, en un futuro sería posible aumentar bastante la eficiencia de las células solares, gracias a que en lugar de producir un excitón por cada fotón absorbido, se producirían múltiples.

Un saludo.

el.loco.lucas escribió:

Dr House escribió:

Menudo temazo ¿o no?.

A mí me está interesando a pesar de entender menos del 10 %.

Te dejo este vídeo, para que esto se haga más ameno y así os demuestro, aunque sea un poco, que el mundo cuántico es fascinante.

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Se pueden poner subtítulos en castellano si se prefiere.

Un saludo.

Dr House escribió:

el.loco.lucas escribió:

Dr House escribió:

Menudo temazo ¿o no?.

A mí me está interesando a pesar de entender menos del 10 %.

Te dejo este vídeo, para que esto se haga más ameno y así os demuestro, aunque sea un poco, que el mundo cuántico es fascinante.

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Se pueden poner subtítulos en castellano si se prefiere.

Un saludo.

Lo que cuenta el amigo Aaron es, todavía, demasiado contrario a mi intuición; aunque he de reconocer que la mecánica cuántica siempre me pareció ciencia-ficción. En estos temas estoy en la "Edad de Piedra".

Un saludo.

No puedo ver el video... últimamente tengo problemas con mi PC... pero lo dejo pendiente.

Lo que he encontrado es esto sobre el efecto MEG

Efecto cuántico en nanocristales de silicio
Según un artículo publicado esta semana en SmallTimes.com, investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory o NREL) del Departamento de Energía de los EEUU, en colaboración con Innovalight, afirman haber encontrado un nuevo e importante efecto llamado MEG (Multiple Exciton Generation) que tiene lugar de forma eficaz en los nanocristales de silicio. El resultado es la formación de más de un electrón por fotón absorbido.

El silicio es el material semiconductor predominante actualmente en las células solares y representa el 93% del mercado de las células fotovoltaicas. Hasta este descubrimiento, las investigaciones apuntaban a que el efecto MEG tenía lugar únicamente en nanocristales (también llamados puntos cuánticos) de materiales semiconductores que no se utilizan actualmente en las células solares presentes en el mercado, y que contienen materiales dañinos para el medioambiente (como el plomo). Los nuevos resultados abren la puerta a una posible aplicación de este efecto para mejorar considerablemente la eficacia de conversión de las células solares basadas en silicio, dado que la mayoría de la energía del sol se convierte en electricidad.

Se trata de un paso fundamental para hacer que la energía solar sea más competitiva frente a las fuentes de energía convencionales.

En un trabajo publicado el 24 de julio en la versión en línea de la revista Nano Letters Journal editada por la American Chemical Society, un equipo del NREL señaló que los nanocristales de silicio o puntos cuánticos obtenidos de Innovalight pueden producir más de un electrón a partir de fotones individuales de luz solar con longitudes de onda inferiores a 420nm. Según el equipo cuando las células solares fotovoltaicas de hoy en día absorben un fotón de luz solar, alrededor del 50% de la energía incidentese pierde en forma de calor. El efecto MEG permite convertir parte de esta energía (la que se pierde en forma de calor) en más electricidad.