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Nanotecnología:
EnergíaDr. Ricardo Faccio
Cryssmat-Lab. DETEMA.
Facultad de Química
Centro NanoMat PTP-Pando,
Facultad de Química
Ejemplos de aplicación de
nanomateriales
Nanopartículas• Lubricantes secos
– Materiales duraderos
– Resistentes
– Flexibles
Ej: Empresa NanoMaterials www.apnano.com
fuente: http://www1.eere.energy.gov/solar/pv_systems.html
http://thomashawk.com/hello/209/1017/1024/Staring%20at%20the%20Sun.jpg
¿Qué es la energía solar?
• Energía producida por
el sol
• Limpia y renovable
• Convertible y usable
(electricidad)
Panel solar -
fotovoltaico
Una energía abundante…
• Sistemas de
energía solar
instalados.
• Podrían cubrir la
demanda total del
planeta
(eficiencia 8%)
fuente: http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/
20 TW
FUENTE: http://energy.cr.usgs.gov/energy/stats_ctry/Stat1.html
http://www.census.gov/main/www/popclock.html
Demanda actual de EEUU• EEUU consume
~25% de la energía
del planeta, pero solo
tiene un 4.5% de la
población mundial
• Se necesitaría una
superficie que cubra
Texas para cubrir la
demanda de EEUU
fuente: http://ebiomedia.com/prod/cyclops/images/image004.jpg
… no toda la energía es
absorbida• Al igual que los cloroplastos, solo absorbe ciertas
regiones del espectro de luzClorofila absorbe el rojo y
azul, pero refleja el verde
fuente: http://nanosense.org/activities/cleanenergy/solarcellanimation.html
Funcionamiento celda solar Silicio
• Se generan electrones y
huecos
• La separación en hueco-
electrón genera un
voltaje y una corriente
• La energía de la luz solar se absorbe por los electrones.
• Estos son bombeados al resto del cristal.
Características celdas de Silicio
• Caros
– Alto vació y alta temperatura
– Alto costo de manufactura
– Frágiles, rígidos y finos.
• Alto retorno de inversión
– 4 años para recuperar los costos de
producción.
fuente: http://www.powerhousekids.com/stellent2/groups/public/documents/pub/phk_ee_re_001505-2.gif
Celdas Solares DSSC
• Funcionamiento equivalente a las de Si
• Los electrones se arrancan del
colorante y se inyectan en TiO2,
para transportarlo fuera de la
celda
• Los “huecos” permanencen en
la tinta
• La separación hueco-electrón
genera un voltaje y corriente.
fuente: http://nanosense.org/activities/cleanenergy/solarcellanimation.html
fuente: http://www.imo.uhasselt.be/polytech/images/zonnecel1.jpg
Características
• Relativamente barato
– No es necesario vacío ni altas
temperaturas
– Relativamente sencillo de armar
– Finos, livianos y flexibles.
• Retorno de inversión corto
– 3 meses de ahorro energético cubren
los costos de producción
11% estándar AM 1.5
Foto-electrodo
- Conductor
- Semiconductor
- Colorante
Contraelectrodo
- Conductor
- Catalizador
Electrolito
•Grätzel M., Inorg. Chem. 2005, 44, 6841
•Faccio, R; Fernández-Werner, L.; Pardo, H.; W. Mombrú, A. Recent
Patents on Nanotechnology 2011, 5(1), 46-61.
Celdas solares de sensibilización espectral (Celdas solares
sensibilizadas con colorantes, DSSC)
Fase cristalina.
Cristalinidad.
Tamaño de partícula.
Estructura porosa.
TiO2
- Bajo costo
- Ampliamente disponible
- No tóxico
- Biocompatible
5A
Tesis Doctoral: Ing. Luciana Fernández-Werner
Método hidrotermal
bajo presión endógena
(A, R, o A/R 50% p/p)
120 C <Tr<150 C
24h<tr<68h
NaOH(ac) 10M
Cálculos teóricos
por primeros
principios
• Caracterización Eléctrica
P = 0.0011W,
a = 9.8cm2,
Isc = 5.5mA,
Jsc = 0.56mA/cm2,
Voc = 0.594V
FF = 33.7%
Simulaciones Computacionales
•Simular nuevos materiales:
- TiO2 (B)
•Simular comportamientos conocidos
- N719@TiO2
•Entender la dinámica de los procesos
-N719@TiO2(B)
SIESTA
LCAO-
GGA
PW-
GGA
PW-
mBJ
Exp.
(eV)
Rutilo 2.2 2.1 2.7 3.0 [1]
Anatasa 2.4 2.3 3.0 3.2 [1]
TiO2(B) 3.1 3.1 3.4 3.22 [27,28]
Slabs # of
Ti
TiO2
layers
SE
(J/m2)
LCAO
SE
(J/m2)
PW
8 2 0.31 0.40
12 2 0.57 0.64
5 4 0.89 0.90
6 3 0.70 0.77
6 3 1.09 1.14
27 3 0.76 0.77
A(101)
A(100)
A(001)
R(110)
R(101)
R(100)
TB(001) 24 2 0.35 0.33
TB(100) 8 4 0.67 0.69
2
2
slab Ti TiO bulk
S
E N EE
S
“ Nanohoja pentacoordinada”
Vittadini A. et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113 (44), 18973
Fernández-Werner et al. (en preparación 2012)
• Simulación: Modelos
R
xzRx cos'
Modelos unidimensionales iniciales: Nanotubos
D20, D20_BF
D40, D40_BF
D40_DW_BF
D20x - Inconvenientes
'x
z R z senR
Cálculo de fonones
- Frecuencias positivas: estabilidad,
mínimo local.
- Posibilidad de correlación con
espectroscopías IR y Raman
TB_wire_y
• Simulación:
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
0
4000
8000
12000
16000
20000
Abs. (u
.a.)
A
UV-VIS
A. W. Mombrú, H. Pardo, R. Faccio, et al., Phys. Rev. B 71, 100404(R), (2005).
H. Pardo, R. Faccio, F. M. Araújo-Moreira, O. F. de Lima, and A. W. Mombrú, Carbon 44, 565 (2006).
R. Faccio, H. Pardo, P. A. Denis, F. M. Araújo-Moreira, A. W. Mombrú, Phys. Rev. B 77 (3), 035416 (2008).
R. Faccio et al., J. Phys.: Cond. Matt. 21, 285304 (2009).
R. Faccio, R., Fernández-Werner, L., Pardo, H., Goyenola, C., Mombrú, A.W. J. Phys. Chem. C 114 (44) , pp. 18961-18971 (2011).
Kaloni, T.P., Cheng, Y.C., Faccio, R., Schwingenschlögl, U., Journal of Material Chemistry 21 (45) , pp. 18284-18288 (2011).