martes, 29 de noviembre de 2011

Nanociencia y nanotecnología para conseguir energías alternativas.


Desde hace ya tiempo, existen diversos estudios científicos en los que se demuestra que la utilización de combustibles fósiles como principal fuente energética ocasiona graves daños medioambientales, tales como polución y desajustes del clima. Nuestra sociedad necesita con urgencia cambiar de modelo energético.

En los próximos años, las nanociencias y las nanotecnologías pueden jugar un papel fundamental a la hora de facilitar esta ineludible conversión.

Para poder profundizar más en este tema hoy tengo la oportunidad de poder charlar con Fernando Briones, profesor de investigación del Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC) y fundador de un grupo pionero en el mundo en la tecnología de Epitaxia de Haces Moleculares (MBE), la más avanzada en la fabricación de nanoestructuras semiconductoras. En la actualidad trabaja en el desarrollo de células solares fotovoltaicas más eficientes mediante la integración de nanoestructuras de nuevos materiales.

El profesor Fernando Briones (IMM-CSIC) y uno de los equipo de MBE que él ha diseñado.

El profesor Fernando Briones (IMM-CSIC) y uno de los equipo de MBE que él ha diseñado.

Mónica Luna.- ¿Cómo pueden contribuir las nanociencias a la obtención de tecnologías energéticas más respetuosas con el medio ambiente?

Fernando Briones.- Mediante sus grandes aportes al desarrollo de un nuevo modelo energético basado en opciones más racionales para la generación, almacenamiento, ahorro y distribución de energía. Fundamentalmente, en relación con el aprovechamiento de la energía solar, la fuente de energía más ubicua, más sostenible y limpia de que disponemos, apoyarán el desarrollo del concepto de 'cosechadoras' de energía solar. Células solares fotovoltaicas que combinarán un gran rendimiento de captación y conversión de los fotones solares en energía eléctrica, con un diseño inteligente y el empleo de materiales abundantes y de bajo coste.

Serán compatibles con el urbanismo actual y respetuosas e integrables en el medio natural, ayudando incluso a remediar zonas desérticas o devastadas.

M. L.- ¿Cuál es el rendimiento actual de conversión de la radiación solar en energía eléctrica?

F. B.- En las actuales células fotovoltaicas comerciales de silicio, oscila entre un 15% y un 20%, según la tecnología elegida y el fabricante. Su coste energético, es decir, el tiempo que deberían funcionar para devolver la energía empleada en la fabricación de un módulo completo, es actualmente inferior a un año y su tiempo de vida útil garantizado supera los 25 años.

Oblea con células de alto rendimiento. | Solar Junction, EEUU.

Oblea con células de alto rendimiento. | Solar Junction, EEUU.

Sin embargo, y a pesar del rápido crecimiento de las inversiones y expectativas en la industria fotovoltaica, su coste todavía es poco competitivo en relación al de las fuentes convencionales y es necesario investigar cómo aumentar significativamente el rendimiento o, alternativamente, reducir los costes de producción.

M. L.- ¿Qué puede aportar la nanotecnología para lograr este necesario aumento del rendimiento?

F. B.- Las células monolíticas multi-unión, desarrolladas inicialmente para el espacio y fabricadas por epitaxia de semiconductores GaInP/GaAs/GaInAs/Ge, han alcanzado ya este año un rendimiento récord de un 43,5% en la empresa Solar Junction, en California . En este desarrollo, por cierto, ha participado uno de los doctores formados en nuestro laboratorio, Ferrán Suarez, trabajando en la actualidad en dicha empresa.

Las células multi-unión funcionan óptimamente con concentraciones del orden de 500 soles, lo que permite que el tamaño de los chips sea muy pequeño (2,5 x 2,5 mm) y que, por tanto, el alto coste de los materiales y su fabricación quede más que compensado. Asimismo, sus pequeñas dimensiones también implican una reducción notable en el coste de instalación, sistemas de seguimiento, concentración óptica y mantenimiento que, en última instancia, definen la viabilidad económica de cualquier opción energética.

Un concentrador de luz solar tiene un aspecto semejante al faro de un coche. | SolFocus.

Un concentrador de luz solar tiene un aspecto semejante al faro de un coche. | SolFocus.

M. L.- Su grupo de investigación es experto en el diseño y construcción de estos sistemas de Epitaxia de Haces Moleculares y en la fabricación de estos dispositivos semiconductores, ¿en qué estrategias trabajan en la actualidad en el campo de los materiales fotovoltaicos? F. B.- Trabajamos en colaboración con el Instituto de Energía Solar (IES) de la UPM, en la introducción de nanoestructuras autoensambladas epitaxiales como son los puntos cuánticos y de nanoestructuras fotónicas, en la zona activa de estas células solares. El objetivo final es el de poder alcanzar rendimientos energéticos superiores al 50%. Téngase en cuenta que el límite teórico es del 65% con este tipo de materiales y estructuras.

Nuevo material fotovoltaico bajo estudio: puntos cuánticos autoensamblados de InAs. | Grupo MBE, IMM-CSIC.

Nuevo material fotovoltaico bajo estudio: puntos cuánticos autoensamblados de InAs. | Grupo MBE, IMM-CSIC.

M. L.- ¿Cuál es la viabilidad comercial de este tipo de células solares?

F. B.- Si, como ha demostrado la ley de Moore de la industria microelectrónica, el desarrollo en gran escala del mercado permite una sustancial reducción de costes aumentando al mismo tiempo las prestaciones, esta opción puede ser pronto muy efectiva para la generación eléctrica de tipo industrial conectada a la red, particularmente en aéreas desérticas con fuerte irradiación solar directa del sur de la península.

M. L.- ¿Y cuál sería la mejor opción para zonas geográficas con nubosidad?

F. B.- Utilizar células de bajo coste que mantengan un rendimiento mínimo por encima del 10 %. Para ello son ideales las tecnologías de película delgada, en materiales como el silicio nanocristalino y amorfo o los semiconductores orgánicos. Estas células pueden fabricarse como recubrimientos semitransparentes sobre las ventanas de los edificios y, en el caso de células de material orgánico, se podrán 'imprimir' sobre plásticos flexibles, tales como los que se utilizan en invernaderos. Alemania y Japón son los países que más se han decantado por estas tecnologías de película delgada, pero aún queda mucho por hacer, sobre todo en relación a la mejora de la estabilidad de los materiales a largo plazo.

Instalación fotovoltaica de concentración. | IES-UPM.

Instalación fotovoltaica de concentración. | IES-UPM.

M. L.- Ha comentado que, aparte de los desarrollos en células solares, la nanotecnología también tendrá aportaciones en el campo del almacenamiento de la energía eléctrica. ¿De qué forma?

F. B.- Ayudará a que dispongamos de baterías ligeras, potentes, económicas, fiables y reciclables para que la opción del automóvil eléctrico sea una realidad en el próximo futuro. En la actualidad, se optimizan las características de estabilidad y procesos de fabricación más económicos actuando sobre el tamaño de las nanopartículas de LiFePO4 que constituyen el cátodo y en la nanoestructuración del los electrodos conductores de carbono para mejorar enormemente su capacidad (hasta 170A.h/ kg), su potencia pico y la estabilidad frente a múltiples ciclos de carga descarga.

El hecho de que las materias primas de estas baterías sean abundantes y no contaminantes, junto a las excepcionales prestaciones ya alcanzadas, muy superiores a las de las baterías de NiCd, hace que se esté librando en estos momentos una furibunda guerra de patentes y algunos retrasos en la adopción de estas tecnologías por las grandes compañías automovilísticas.

La nanoestructuración es también fundamental para el desarrollo de los supercondensadores, otro componente básico para aportar los picos de corriente necesarios en los motores eléctricos de los automóviles. Los últimos desarrollos en este campo alcanzan capacidades específicas del orden de 500F/g con un coste moderado y ya están llegando al mercado.

M. L.- ¿Cuándo cree que se podrán generalizar los nuevos desarrollos?

F. B.- Las tecnologías básicas ya están muy avanzadas pero su aplicación global en gran escala depende ahora fundamentalmente de factores económicos, sociales y políticos muy ajenos a la ciencia y a la tecnología.

Mónica" Luna es investigadora en Nanociencia y Nanotecnología del Instituto" de Microelectrónica de Madrid (CNM-CSIC).
monica.luna.estevez@gmail.com


Fuente: ElMundo.es

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