Nanotecnología:

EnergíaDr. Ricardo Faccio

Cryssmat-Lab. DETEMA.

Facultad de Química

Centro NanoMat PTP-Pando,

Facultad de Química

Temario:

• Ejemplos Generales de aplicaciones

Nano

• Energía Solar

• Grafito Magnético

Ejemplos de aplicación de

nanomateriales

Nanopartículas• Lubricantes secos

– Materiales duraderos

– Resistentes

– Flexibles

Ej: Empresa NanoMaterials www.apnano.com

Celdas Solares de Bajo Costo (II)

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

Cómo se preparan las nanopartículas?

• HRTEM: nanorods de TiO2

• TEM:

-Nanotubos

• Ensamblado de Dispositivos

• 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

Reconstrucción estructural

TB_wire_y

A_wire_z

TB_wire_x

TB_wire_200_z

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

Abs (

u.a

.)

(nm)

Theory

Experimental

• 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

• Otros Sistemas:

Ricardo Faccio, Helena Pardo, Álvaro W. Mombrú, (enviado 2012)

Otro ejemplo: Grafito Magnético

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).

Muchas Gracias!!

Integrantes

Prof. Dr. Álvaro W. Mombrú

Dra. Helena Pardo

Dr. Leopoldo Suescun

Ing. Quím. Luciana Fernández

Qco. Mariano Romero

Lic. Sebastian Piriz

Bachiller Magdalena Irazoqui

Dr. Ricardo Faccio