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Métodos para una rápida mirada: Tecnologías de energía solar

Pequeños ensayos sobre Sustentabilidad

Métodos para una rápida mirada: Tecnologías de energía solar

Posted by Alto on 28 de mayo de 2021 a 4:26 am

Introducción

Las energías renovables se han puesto en el centro de los planes para manejar el problema del cambio climático. Y como bien señaló el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC; por sus siglas en inglés) poseemos tecnologías confiables y asequibles para lograr nuestros objetivos en este marco [1]. Además, ellos mismos señalan en uno de sus reportes, que las energías renovables serán clave para descentralizar la producción de energía y energizar las zonas rurales [2]. Y dentro de lo positivo que es este paradigma, lo cierto es que se sigue desarrollando y explotando. En este documento, nos centraremos en algunos avances que se ha dado particularmente en la energía solar, para tener perspectiva de las últimas innovaciones que existen en el área en general y en la tecnología solar en particular.

Métodos
Se realizó una búsqueda a través de la página web ScienceDirect con el término “Solar Technology” como palabra clave. Como criterio de búsqueda se configuró el buscador para estar ordenado por fecha y no por relevancia. Se descartaron todos los artículos cuyo título, a juicio del autor, indicara objetivos no relacionados con el desarrollo de nueva tecnología de energía solar. Por razones de tiempo y espacio, se decidió analizar solo los primero 10 artículos de la que no fueron descartados. Tanto para acotar los temas y asegurar la calidad se realizó un proceso de descarte, descrito en la siguiente sección, en base a criterios escogidos a priori por el autor.
Se eliminaron todos los artículos que no hicieran referencia a tecnologías, procesos o aplicaciones de inventos con potencial para el sector de energía solar en el resumen respectivo. Después, se descartaron todos los artículos de Revistas con un puntaje de citas inferior a 6.9 o factor de impacto inferior a 4400. Se indicarán el número de títulos revisados y artículos descartados.
Finalmente, los artículos serán resumidos considerando partes de su introducción, métodos, resultados y conclusiones. Se utilizará una estructura donde se indique, literalmente, “Que buscaban” “Como lo consiguieron” y “Principales hallazgos”.

Resultados
Después de revisar 200 títulos de artículos científicos que aparecieron con el criterio de búsqueda, fueron seleccionados 10 para pasar al proceso de descarte. De estos 10, 2 artículo descartado por no hacer referencia en su resumen a aplicación en el sector de la energía solar, y 5 fueron descartados el criterio de calidad de las revistas fijados en los métodos. De estos tres artículos, se hará un breve resumen explicado a continuación:

Slot-die coated methylammonium-free perovskite solar cells with 18% efficiency [3]:

Que buscaban: Mejorar el proceso de cristalización en el recubrimiento de celdas solar de perovskita (Un tipo de celda solar desarrollada en los últimos 15 años) para aumentar la eficiencia de conversión.
Como lo consiguieron: En el proceso de cristalización de estas celdas, se utiliza gas para templar las celdas y un sustrato caliente, entre otras cosas. Esto aumenta su compactación y, como consecuencia, su eficiencia en la conversión de luz en electricidad. En este trabajo decidieron utilizar ambas técnicas de manera simultanea y sinérgica, para evitar el uso de fases y productos adicionales y aumentar la compactación de las celdas. Se configuró el sistema para aplicar la capa de perovskita a 300 nanómetros del sustrato de 10×10 centímetros, que se encontraba a temperaturas de prueba, desde los 27° hasta los 90°C. El gas de templado fue nitrógeno a un flujo de 40 litros por minuto para las pruebas de temperatura. Para las pruebas de gas, el flujo variaba entre 25 y 100 litros por minuto, a una temperatura fija de 60°C, variando también la distancia de la salida del gas. También describen como fabricaron las otras partes de la celda y como caracterizaron las piezas para su posterior análisis.
Principales hallazgos: La temperatura óptima de compactación fue de 60°, tal como indica la literatura que los autores citan en su artículo. Se encontró que la cobertura máxima del nitrógeno en el sustrato se obtiene con el flujo máximo. Encontraron que se obtenían resultados óptimos con la salida del gas a una distancia de 300 nanómetros del sustrato. Con estos parámetros lograron crear homogéneas láminas de perovskita de 10×10 centímetros, que caracterizaron y analizaron, logrando una eficiencia del 18% en la conversión de luz-electricidad. Los autores mencionan que es la primera vez que se realiza una lámina de estas características en un proceso que puede ser escalable.

A novel model for predicting the effective specific heat capacity of molten salt doped with nanomaterial for solar energy application [4]:

Que buscaban: En las plantas de concentración solar se utiliza sal fundida como material de almacenamiento de energía calórica cuando no hay sol. Sin embargo, las características de unos grupos de estas sales son mayormente desconocidos, como es el caso de las sales dopadas con nanomateriales. En el estudio intentan obtener datos para caracterizar un tipo específico de estas sales dopadas, especialmente la formación de nanoestructuras en la superficie de esta sal y como se relaciona con su capacidad calorífica.
Como lo consiguieron: Construyeron un modelo matemático (basado en ecuaciones de trabajos anteriores) para simular la formación de las microestructuras y la capacidad calorífica. Para calibrarlo, prepararon ocho muestras de sales dopadas con nanomateriales: Carbonato potásico como sal base con carbonato de litio y nanotubos de carbono como nanomateriales, a distintas concentraciones. Para caracterizar la superficie, hicieron cristalizar el material para la nucleación y crecimiento del cristal, lo que les da información de las nanoestructuras que se están formando. Para ver su relación con su capacidad calorífica, calcularon esta capacidad tanto de las nanopartículas como de las nanocapas del material utilizando análisis de oscilación armónica del entramado que forma la superficie de la muestra. Luego analizan estos resultados y los comparan con trabajos anteriores y con el modelo que estaban gestando.
Principales hallazgos: La cantidad y diámetro de los de nanotubos de carbono incide en la absorción de litio por los mismos en una proporción directa. De igual manera pasa con el espesor de las nanocapas, y la superficie del material se ve modificada por estas proporciones, alterando el espesor de las capas y su topología. Esto incide en su capacidad calorífica, que como los autores señalan, entre mas presencia de nanomateriales en la superficie de la muestra, mayor capacidad calorífica tiene la nanocapa de la superficie. La relación con los diámetros de los nanotubos de carbono en particular es inversa: la capacidad calorífica disminuye cuando se incrementa el diámetro de los nanotubos. También usaron estos resultados para probar su modelo, encontrando mayor precisión que las técnicas predictivas usadas hasta la fecha.

Optimum silver contact sputtering parameters for efficient perovskite solar cell fabrication [5]:

Que buscaban: No se ha podido utilizar de manera amplia la técnica de pulverización catódica (una técnica de deposición para hacer láminas delgadas de un metal en una superficie) en las celdas solares de perovskita, debido a que la alta energía cinética que portan las partículas pulverizadas daña la celda. Debido a lo que los autores consideraban una ausencia de estudios sistemáticos referente al tema decidieron caracterizar uno de los componentes de las celdas de perovskita: la capa transportadora de espacios. De esta forma buscan determinar como construir una de estas celdas de manera óptima, utilizando plata para esta capa en particular.
Como lo consiguieron: Utilizando el proceso del estudio en que se basan, preparan la capa de transporte de electrones pulverizando óxido de estaño, que luego recubren con otros materiales que transforman químicamente en perovskita. Luego de un proceso de recalentamiento, pulverizaron plata en la celda para formar la capa de transporte de espacios (Ambas capas son esenciales para el funcionamiento de las celdas de perovskita). El proceso se repitió numerosas veces con distintos flujos de gas noble (utilizado en el pulverizado para evitar impurezas en el proceso), potencia de pulverización, presión y tiempos de exposición para la formación de la capa transportadora de espacios. Luego utilizaron un espectrofotómetro infrarrojo y un difractómetro de rayos x para caracterizar la composición de las celdas, y un espectrofotómetro ultravioleta para analizar las propiedades ópticas de la misma. Para analizar la morfología de la superficie, utilizaron un microscopio de fuerza atómica y, además, un microscopio de barrido electrónico para estudiar el grosor de cada capa en celdas sin uso. Para medir la resistencia de la capa de plata depositada, utilizaron una sonda especial.
Principales hallazgos: Los autores encontraron que existe una configuración de parámetros que les permite generar celdas con una eficiencia de conversión luz-electricidad del 18%: pulverización a 1 Watt de potencia, el flujo de gas a 15 centímetros cúbicos por minuto, por cuarenta minutos y a una presión de 5 mili Torr. La celda también exhibía otras propiedades eléctricas en un rango adecuado, como la densidad de cortocircuito y el voltaje de circuito abierto. Gracias a esto, los autores afirman que es posible utilizar esto como una guía para la fabricación de celdas solares de perovskita de alto rendimiento.

Conclusiones

El presente trabajo ha sido hasta la fecha el más difícil de realizar, debido a lo extenuante de la eliminación de artículos. Se sugiere fuertemente utilizar filtros mas estrictos, utilizando mas palabras claves y mejores opciones de búsqueda, para las siguientes investigaciones. También se sugiere no filtrar por tiempo, si no por relevancia, ya que la cantidad de publicaciones no relacionadas o poco relevantes al buscar por fecha es abrumadora.

A pesar de que la muestra de trabajos escogidos es muy pequeña es posible ver algunas cosas de interés. Dos de los artículos escogidos hablan sobre el mismo tema, y de los artículos eliminados por la calidad de las revistas, cuatro hablaban también de lo mismo: Las celdas solares de perovskita. Esto podría indicar que existe un interés real en esta tecnología de manera reciente, aunque para afirmarlo o negarlo es necesaria más investigación.

También es destacable el nivel de profundidad de los artículos, siendo material muy técnico, ya que tiene un grado notable de especificidad y de rigurosidad. Esto tal vez sea producto de la eliminación hecha en base a la calidad de las revistas, lo que podría indicar que los parámetros de filtración escogidos son adecuados.

El autor de este trabajo considera que las temáticas son interesantes, y que algo de perspectiva se ha obtenido del estado del arte en las disciplinas referentes a los artículos. Sin embargo, es completamente insuficiente para una perspectiva sobre el estado de la investigación en materia de tecnología solar. Se requiere cambiar los parámetros de investigación al respecto.

Referencias

1. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2020. Energy is at the heart of the solution to the climate challenge. [online] Available at: https://www.ipcc.ch/2020/07/31/energy-climatechallenge [Accessed 25 May 2021].

2. Bruckner T., I.A. Bashmakov, Y. Mulugetta, H. Chum, A. de la Vega Navarro, J. Edmonds, A. Faaij, B. Fungtammasan, A. Garg, E. Hertwich, D. Honnery, D. Infield, M. Kainuma, S. Khennas, S. Kim, H.B. Nimir, K. Riahi, N. Strachan, R. Wiser, and X. Zhang, 2014: Energy Systems. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

3. Mathilde Fievez, Prem Jyoti Singh Rana, Teck Ming Koh, Matthieu Manceau, Jia Haur Lew, Nur Fadilah Jamaludin, Biplab Ghosh, Annalisa Bruno, Stéphane Cros, Solenn Berson, Subodh G. Mhaisalkar, Wei Lin Leong, Slot-die coated methylammonium-free perovskite solar cells with 18% efficiency, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 230, 2021, 111189, ISSN 0927-0248, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111189.

4. Mahmoud Badawy Elsheniti, Ahmed Rezk, Mohamed Shaaban, Mohamed Roshdy, Yahia Mohamed Nagib, Osama.A. Elsamni, Bidyut Baran Saha, Performance of a solar adsorption cooling and desalination system using aluminum fumarate and silica gel, Applied Thermal Engineering, 2021, 117116, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117116.

5. Martin C. Eze, Godwin Ugwuanyi, Meng Li, Hyginus U. Eze, Guillermo M. Rodriguez, Alex Evans, Victoria G. Rocha, Zhe Li, Gao Min, Optimum silver contact sputtering parameters for efficient perovskite solar cell fabrication, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 230, 2021, 111185, ISSN 0927-0248, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111185.

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