electrónica orgánica

Superman ecológico y sostenible

Superman es uno de los Superhéroes más conocidos, y posiblemente sobre el que más se ha discutido el origen de sus superpoderes. Una de las hipótesis barajada es la baja gravedad de la Tierra comparada con la existente en Krypton, y la luz de nuestro amarillo-sol. Se supone que los kryptonianos no tienen poderes en su planeta natal porque éste orbita en torno a una estrella roja llamada Rao. En este post trataremos de ver la posibilidad de que Superman adquiera toda la energía necesaria de la radiación solar como si de una célula fotovoltaica se tratase.

Superman tomando el sol.

Superman tomando el sol.

El color de una estrella define la temperatura de su superficie, así cómo la cantidad de energía que emite. Gracias a la ley de Wien Planck sabemos que nuestro sol emitiría más energía que Rao. El color de nuestro astro nos dice que el máximo de emisión lo tiene en el rango del amarillo mientras que Rao está en el rojo, si nos fijamos en la siguiente gráfica podremos saber la temperatura de la superficie de ambas estrellas.

Ley de Planck para distintas temperaturas

Ley de Planck para distintas temperaturas

La gráfica anterior muestra los espectro de radiación del cuerpo negro para distintas temperaturas, espectro que se ajusta perfectamente a la emisión de las estrellas, así es cómo conocemos la temperatura de éstas. La energía irradiada por la estrella será el área por debajo de las distintas curvas, con lo que es fácil deducir que a mayor temperatura más energía emite el astro en cuestión. Queda claro que nuestro Sol emite mucha más energía que Rao.

Si realizamos algunas suposiciones como que la radiación que alcanza a Superman es la radiación que se recibe del Sol a unos 30.000 m de altitud, donde la absorción de la atmósfera influye muy poco; que el área de su “cuerpazo” es de unos 0.8 metros cuadrados; que la velocidad de vuelo normal es de unos 3.600 km/h (sí, una barbaridad, el payo se desplaza prácticamente a Mach 3); y que volará durante 8 horas, se puede calcular que la eficiencia con la que tendría que convertir la energía solar para realizar ese vuelo es de unos 656.000%. Lo que viene a ser un imposible, porque se puede ser de Krypton y todo lo que tú quieras, pero en este planeta respetamos las leyes de la termodinámica, y eso de sacar energía de la nada está mal visto.

Antes de ofrecerle una solución a Superman, me gustaría analizar las suposiciones que se han realizado.

La primera es que para calcular el tamaño de Superman han recogido los datos de las medidas típicas del humano medio, lo que se me antoja un poco pequeño para todo un Superheroe, pero no es una mala aproximación, lo mismo podría decir sobre la velocidad, la verdad es que para considerar una velocidad de vuelo es un poco alta, y digamos que nuestro amigo no es del todo aerodinámico, pero es Superman así que…

También es verdad que es capaz de volar bastante más deprisa, ya lo demostró cuando contrarrestó el momento angular de la tierra para que comenzase a girar en sentido contrario y poder resucitar a Lois Lane, con lo que nada que objetar, (bueno en realidad mucho, pero tengo debilidad por Superman, qué le vamos a hacer). Las objeciones las podéis leer en este post recuperado del antiguo blog de @pr3cog (Sergio Palacios).

Así que nos centraremos en la parte de la conversión de energía, que es lo bonito de tratar a Superman como una célula solar. En la simplificación se ha utilizado la radiación solar a 30.000 metros de altura donde la densidad de la atmósfera es el 1.5% de la densidad al nivel del mar, esto es algo que no se suele hacer cuando se estudia la eficiencia de las células solares en la superficie terrestre.

Espectro de radiación al nivel del mar.

Espectro de radiación al nivel del mar.

Cómo vemos en la figura anterior no nos llega toda la radiación emitida por el sol, en rojo vemos cómo queda el espectro después de que ciertas longitudes de onda hayan sido absorbidas por la atmósfera. Vemos como se reduce considerablemente la cantidad de energía total disponible del Sol. Es obvio que, al menos en el despegue, Superman no tiene toda la energía del sol disponible para poder usarla como a él le venga en gana.

La otra aproximación que en células solares tampoco está muy bien vista, es que toda la energía disponible se pueda usar, existe un límite que fue calculado teóricamente por Shockley en 1961. Las células solares no son más que una unión p-n. Como ya se vio en este blog, al unir dos semiconductores con distinta conductividad se crea una barrera que deben saltar los electrones, en el caso de las células solares la energía de los fotones incidentes son las que aportan esta energía para que los electrones salten de un semiconductor a otro y produzcan corriente eléctrica. Shockley demostró que la máxima eficiencia de una unión p-n utilizando los semiconductores típicos es del orden del 30%.

Amigos, sintiéndolo mucho, no toda la energía recibida del sol es aprovechable, pero bueno un 30% no está mal, además actualmente existen trucos para aumentar esta eficiencia, utilizando estructuras de fabricación diferentes, o concentradores de luz, para que se pueda aumentar esta eficiencia hasta el 44.7%, y seguro seguiremos mejorando.

Aún así, seguimos muy lejos de una eficiencia del 656.000%, la gran limitación viene de la superficie útil del cuerpo de Superman. Conociendo todos los datos que hemos mostrado podríamos solucionar el problema colocándole un panel solar a Superman, por supuesto uno de estos modernos con el 44.7% de rendimiento, que generase toda la energía necesaria para el vuelo de nuestro héroe.

El área del panel solar necesario sería de 11.737 metros cuadrados, si le suponemos una anchura de hombros de 0.5 metros, tendremos un panel solar de 0.5 metros de ancho y ¡23.5 km! de largo, y además rígido, vamos un poco incómodo a la hora de maniobrar por las calles de Manhattan. Tampoco estamos teniendo en cuenta el peso extra que este panel supondría. ¡Una locura!

Pero hay una solución, y seguro que le gusta a nuestro protagonista, ya que a Superman le gusta más una capa que a Newton un problema de plano inclinado. ¿Y si la capa fuera una célula solar en sí misma?, desde luego no debería ser rígida, así que tendremos que utilizar células solares orgánicas. Este tipo de células utilizan polímeros semiconductores y se pueden fabricar  sobre sustratos flexibles, como se ve en la siguiente imagen.

Célula solar flexible.

Célula solar flexible.

Ya tenemos resuelto el problemas de la rigidez de la capa, pero hay otros inconvenientes. Si bien las células solares orgánicas tienen el espectro de absorción más ajustado a la emisión solar, como se puede observar en la siguiente gráfica:

Absorción del P3HT y PCBM

Absorción del P3HT y PCBM

En la gráfica podemos ver como la curva de absorción del P3HT y PCBM combinados aumenta en la región de la radiación visible, lo que ayudará a que se generen más cargas libres. Pero, ¿qué es el P3HT y el PCBM?. Estos compuestos químicos son los que hacen la función de semiconductores de tipo p o tipo n en la unión de la célula solar. Normalmente se prepara una mezcla heterogénea de esos polímeros y se depositan en una capa muy fina encerrada entre dos electrodos.

Para los químicos el P3HT es el Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) y hace de donante de electrones:

P3HT

P3HT

Y el PCBM es el [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester que hará la función de aceptor de electrones

PCBM

PCBM

Como se observa en la figura donde se muestra la estructura del PCBM, vemos que es una bolita de Fullereno donde se le ha añadido un radical para aumentar su solubilidad en Tolueno, algo necesario para realizar las mezclas y preparar las capas de la célula solar.

Si bien las células solares orgánicas son la gran esperanza blanca de la energía solar, hasta el momento las muestras con mayor eficiencia son las realizadas con estos compuestos o similares, pero no se han alcanzado eficiencias mayores del 10%, muy lejos aún de las células solares convencionales. Esto se debe a que adolecen de otros problemas cómo unas resistencias parásitas más elevadas, y que la formación de pares electrón-hueco sigue un proceso más complejo con la formación previa de excitones.

Pero como pueden ser flexibles, podremos incorporarlas a la capa de Superman, y que este se mueva con más soltura. Si calculamos la superficie necesaria con un rendimiento del 10%, en lugar del 44.7% usado anteriormente, obtenemos que la capa de Superman debería tener una superficie de 52.464 metros cuadrados. O lo que es lo mismo una ancho de 0.5 m y un largo de ¡105 km!.

Superman con una capa efectiva.

Superman con una capa efectiva.

Vamos, que Superman podría pillarse la capa con la puerta de su Fortaleza de la Soledad mientras vuela raudo a ver de qué color lleva las bragas Lois Lane. Esperemos que su supercuello aguante el tirón cuando se de cuenta a los 105 segundos :-).

Como últimamente estoy un poco negativo, este post podría llevar a pensar que el vuelo con energía solar no es posible, pero sí lo es. Ya existe un avión que vuela con energía solar, el Solar Impulse, pero claro no lo hace a Mach 3, además tiene una superficie alar considerable, y mejor aerodinámica que Superman.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Por cierto:

Este post participa en la XLVIII Edición del Carnaval de la Física, albergado en esta ocasión en el blog “La Aventura de la Ciencia

Y además se atreve a presentarse a la XXXI Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews. Se que no cumple con el tema pero cómo aparecen dos moléculas de esas que tanto gustan a los químicos ;P

Referencias:

Szczykulska, M.; Watson, J.; Garratt-Smithson, L.; Muir, A.. P4_4 The Solar Cell Efficiency of SupermanPhysics Special Topics, North America, 12 6 12 2013.

William Sockley. Hans J. QueisserDetailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells.  Journal of Applied Physics vol. 32, number 3 (1961)

Electrónica Orgánica

Este post participa en el la 1ª Edición del Carnaval de Tecnología albergado por lavacaesférica.

En este post trataré de hacer una pequeña introducción a la electrónica orgánica, su historia, su presente y su futuro.

Nuestra vida cambió radicalmente un día antes de la nochebuena de 1947, seguramente los responsables no lo sabían pero el cambio y el invento tecnológico que marcó el devenir de la historia se creó en los laboratorios Bell, con la creación del transistor, pero ¿de verdad en electrónica no ha habido nada después?

¿Seguimos cumpliendo la Ley de Moore?, ¿Podremos seguir cumpliendo la Ley de Moore durante muchos años más?

La electrónica que usamos actualmente está basada principalmente en el Silicio (Si) que es un compuesto inorgánico, tremendamente abundante en nuestro planeta, pero se está investigando con nuevos materiales orgánicos, es decir con base de Carbono (C), si quieres saber un poquito más continua leyendo.

Antes de hablar de la electrónica orgánica, me gustaría presentar algunos conceptos que se usan y aplican en la electrónica “tradicional”, (si se puede llamar tradicional a algo que se inventó en 1947)

Electrónica “Tradicional”

Estaríamos hablando de conceptos usados en el transistor, invento que otorgó el premio nobel de Física en 1956 a sus descubridores John BardeenWalter Houser Brattain yWilliam Bradford Shockley. Este hecho, en mi modesta opinión, revolucionó en todos los aspectos la tecnología, y a su vez revolucionó nuestra forma de vivir.

El concepto que quería introducir es el de la unión p-n, que es la unión de dos cristales semiconductores, generalmente de Silico (Si).

El Si es un material con valencia 4, es decir tiene 4 electrones libres para formar enlaces con los átomos vecinos

Malla de Silicio

Origen WikiPedia

Como se puede observar en la imagen, esos 4 electrones de valencia, que serían los que en un átomo solitario podrían contribuir a la conducción eléctrica, están formando enlaces covalentes con sus vecinos.

En la forma pura del Silicio, la conducción se verá limitada a los electrones que queden libres por la rotura de estos enlaces debido a la agitación térmica, es decir que el Silicio puro es un mal conductor de la electricidad.

En la unión p-n lo que se hace es dopar el Sicilio con una impureza trivalente (tipo P), como el Boro (B), de forma que se crea un enlace covalente defectuoso (le faltaría un electrón) creando lo que se llama un hueco (h+), que no es más que ese enlace covalente defectuoso. Este hueco tendrá la posibilidad de saltar de una parte de la red cristalina a otra, en el Silicio tipo N, la impureza que se utiliza es una impureza pentavalente como el fósforo (P), lo que deja un electrón libre después de formar los 4 enlaces covalentes con los átomos vecinos. Ee esta forma se aumenta la conducción del Si.

Hasta ahora, lo único que hemos hecho es variar la conductividad (capacidad de conducir corriente eléctrica) de un semiconductor, añadiendo cargas libres (tipo N) o añadiendo enlaces defectuosos (tipo P).

Cuando juntamos dos semiconductores con distinto tipo de dopaje se crea una zona de carga espacial, es decir, los electrones libres cubren los enlaces defectuosos de la zona adyacente, dejando al nucleo de fósforo como carga positiva fija en la red, y al otro lado se quedan cargas negativas en los nucleos de los átomos, lo que genera un campo electrico contrario a esta difusión de cargas. (Siguiente figura)

Zona de vaciamiento, o de carga espacial

Las propiedades de esta unión es lo que permite que tengamos dispositivos como los diodos (que son una simple unión p-n). Los diodos solo permiten la circulación de corriente en un sentido, cortando la corriente en el sentido contrario.

Los transistores, que nos permiten controlar el paso de corriente de un extremo a otro con una corriente relativamente pequeña, están formados por dos uniones seguidas p-n-p o n-p-n.

Hasta aquí no se ha descrito nada nuevo, se ha hablado de los conceptos de la electrónica básicos, que estarán más extendidos, y que ahora nos permitirá relacionarlo con lo que se conoce como electrónica orgánica.

Hay muchos conceptos de los que, por cuestiones de espacio, (y para no aburrir al personal), no se han hablado pero que se pueden intuir, como que la movilidad de los electrones será mejor que la de los huecos. Fenómenos también como la recombinación, es decir cuando un electrón circula como corriente principal en el diodo y prefiere quedarse en un hueco cuando lo encuentra (con lo que será una pérdida en nuestra corriente principal) así como otros conceptos que intentaré explicar en virtud de su necesidad.

Electrónica Orgánica

Introducido el fenómeno que da origen a la electrónica actual, o mejor dicho, lo que serían elementos activos de un circuito electrónico, cabe preguntarse: ¿Qué es eso de la Electrónica Orgánica?.

Lo primero que podemos decir es que se trata del mismo principio que el anterior, es decir formar uniones p-n, semiconductor de dos tipos. ¿Y donde está la diferencia?. Pues ni más ni menos en que en lugar de formarse con elementos inorgánicos como el Si, se hacen con elementos orgánicos, es decir, polímeros formados con Carbono (C). Vamos la química orgánica de toda la vida.

Pero …, ¿No son los polímeros materiales plásticos? Pues sí, y ya sabemos que los plásticos como conductores de la electricidad siempre han dejado mucho que desear.

Esto fué así hasta que en 1970 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa descubrieran que dopando una lámina de poliacetileno oxidandola con vapor de Iodo la conductividad crecía de una manera espectacular.

En la siguiente figura se compara el poliacetileno sin dopar y dopado:

Observamos en dicha representación que en el poliacetileno sin dopar (polímero de arrba) los enlaces dobles están bien definidos (hay muy pocos defectuosos). En cambio al doparlo (abajo) la sustancia dopante provoca que los enlaces sean más difusos y de esta forma se aumenta la conductividad del material.

Una vez desarrollado este tipo de polímero, si unimos dos polímeros dopados de manera distinta, es decir, con distinta conductividad, formaremos interfases como se forman en la unión p-n de Silicio.

¿Qué aporta la electrónica orgánica?

Lo primero que inmediatamente nos viene a la cabeza es que las propiedades físicas de los polímeros se pueden aprovechar para los dispositivos electrónicos, y una de las más deseadas es la flexibilidad de estos, lo que permite construir pantallas flexibles.

Otra de las ventajas es la posibilidad de fabricar dispositivos electrónicos con técnicas más baratas, y que no necesitan de hornos con elevada temperatura como en los dispositivos basados en Silicio. De hecho podemos imaginar una impresora de chorro de tinta que deposite los polímeros de manera que forme el “layout” de nuestro dispositivo electrónico, como se nos ofrece en el siguiente enlace http://www.gestiondecolor.com/blog/i/27343/128/tecnologia-inkjet-para-impresion-funcional-o-electronica-impresa

Otra de las promesas de la electrónica orgánica es la posibilidad de superar el límite teórico de eficiencia de una célula solar tradicional que está en el 30%, límite que se podría superar con una sola capa si se consigue aprovechar mejor el espectro. De hecho ya se ha superado en células inorgánicas comerciales según la empresa  NLV SOLAR AG. Y que se describe en el siguiente post http://luisletosa.blogspot.com/2011/08/el-38-de-eficiencia-en-energia.html, (a modo de resumen se establece una estructura multicapa para aumentar la absorción de la luz solar).

Evidentemente no todo son ventajas, ya que de momento la eficiencia de las células solares orgánicas está en torno al 10%, el Silicio es mucho más abundante en la naturaleza, y por ejemplo hablando de células solares, la degradación que sufren las orgánicas es mucho mayor. Pero como dijo aquél “Estamos trabajando en ello”.

Otra de las esperanzas es trabajar en la miniaturización, ya que si se consigue trabajar a nivel molecular, podríamos tener por ejemplo un transistor formado por 3 moléculas (en un límite teórico), solo superado por las promesas de la computación cuántica que parece que es capaz de formar un transistor con solo 7 átomos.

En el futuro, puede ser que los nuevos materiales como el grafeno, hagan su incursión en la electrónica orgánica fabricando dispositivos que hagan uso de sus particulares propiedades, muchas de ellas por desarrollar.

La electrónica orgánica es ya una realidad, de hecho se comercializan pantallas con led’s orgánicos, OLED, AMOLED’s, y en realidad hay muchos dispositivos móviles que estan usando este tipo de pantalla, aunque esten fabricados en un sustrato rígido, se podrían fabricar en un soporte flexible como en el siguiente video:

En cuanto a que nos depara el futuro os dejo con una frase que se le presupone a Albert Einstein:

“Nunca pienso en el futuro. Llega enseguida”

Para saber más:

W. Shockley and H. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells”, Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. 510-519, 1961.

H. Spanggaard and F. C. Krebs, “A Brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 83, pp. 125-146, Jun 2004

V.I. Arkhipov, et al., “Why is exciton dissociation so efficient at the interface between a conjugated polymer and an electron acceptor?” Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 4605-4607, Jun 2003.

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=big-news-from-the-nano-world-of-gra-2010-04

Células Solares Orgánicas

Sirva este post veraniego a modo de recopilación de ideas para el trabajo de investigación que estoy realizando, la parte importante del trabajo se centrará en conocer y aplicar distintos métodos para extraer los parámetros característicos de una célula solar, mi grupo de investigación está centrado en células solares orgánicas, con lo que se estudiará si estos son aplicables a dichas células.

Pero antes de esto habrá que introducir un poco el qué, y el porqué de las células solares orgánicas

¿Qué son?

Las células solares orgánicas surgen del descubrimiento de los polímeros semiconductores, que supuso un premio nobel de química en el año 2000 para Heeger, MacDiarmid y Shirakawa, y que su posterior desarrollo llevó a la utilización de dichos polímeros en electrónica.

Generalizando, los polímeros semiconductores se pueden sintetizar de tipo p y tipo n (aceptor o donador de electrones) como el silicio, lo que nos permite crear uniones p-n, que pueden ser diodos, led’s o células solares dependiendo de lo que hagan mejor o dependiendo de la diferencia entre los niveles de energia de los polímeros.

¿Qué ventajas tienen los dispositivos orgánicos?

Entre la principales ventajas de los dispositivos orgánicos se encuentran las derivadas de la combinación de las propiedades eléctricas de los semiconductores con las propiedades físicas de los polímeros o plásticos, es decir podemos construir componentes electrónicos flexibles y ligeros, también hay que destacar que el proceso de fabricación no involucra grandes temperaturas, ya que se pueden fabricar a temperatura ambiente, y no se necesitan de unas instalaciones específicas, de hecho esto es lo que me parece más importante ya que hemos podido fabricar nuestras propias células solares en el laboratorio, con un spinner y la disolución adecuada de los polímeros.

Otra de las ventajas, y “la gran esperanza blanca” que se les presupone a las células solares orgánicas es la posibilidad de aumentar el limite teórico de eficiencia de una célula solar inorgánica que es el 30%, este límite se superaria con el uso del Quantum Dots, o de polímeros como el fullereno (que actualmente es el que mejores resultados ha dado), aunque hay que decir que actualmente el máximo nivel de eficiencia está en torno al 10% y además las células solares orgánicas tienen un problema de conservación bastante acusado, con lo que el rendimiento se reduce rápidamente.

Estructura de una célula solar orgánica

A diferencia de las células inorgánicas donde la generación de pares electrón-hueco libres es muy elevada, en las células solares se suelen producir excitones, con lo que para favorecer la transición desde este estado de excitón a pares e-h libres debemos favorecer que el recorrido de este excitón desde su formación hasta la interfase entre el polímero aceptor y donador sea el menor posible, por ello la estructura que mejor resultados está dando es la “blend” (o tener los dos tipos de polímero mezclados entre si(. En el siguiente enlace está muy bien explicado la formación y la disociación de estos estados.

Además de esta estructura, encontramos las estructura típica de “sandwich” donde una capa de polímero aceptor se coloca sobre otra de polímero donador, o incluso unas estructuras tricapas, donde entre los dos tipos de polímero se deposita una capa tipo “blend” o una capa de un polímero con bandas de energía intermedias que favorece la transición de estados.

¿En qué estoy yo?

El foco de mi trabajo se centraba en la busqueda de un modelo circuital que juste las curvas I-V obtenidas para nuestras células solares, en la bibliografía el modelo básico es el formado por un diodo y dos resistencias una paralelo Rsh, y otra en série Rs.

Estas resistencias modelan las perdidas por recombinación de portadores (Rsh), es decir las perdidas que se producen por que los pares e-h libres vuelven a combinarse con los polímeros que forman la célula antes de alcanzar la capa de conductor (ITO), y las pérdidas que se producen por la extracción de dichos portadores hacia el exterior (Rs), es decir la pérdida que se produce en la interfase entre polímero y el conductor que forma el contacto hacia el exterior.

Utilizando este modelo tendremos que buscar una serie de parámetros que ajustar que son estas dos resistencias, el factor de idealidad del diodo “n”, la corriente fotogenerada “Iph” y la corriente de saturación inversa “I0”, con lo que como podeís imaginar la dificultad, o el interes del trabajo está en buscar y analizar métodos de extracción de estos parámetros, ya que no todos se ajustan para todas la células.

Desgraciadamente en las células solares orgánicas Rs y Rsh son a veces de un orden muy parecido (mientras que en las células inorgánicas Rsh suele ser muy alta y Rs muy baja, que es lo que se pretende), el factor de idealidad se aleja bastante de la “idealidad (n=1) y la corriente fotogenerada no suele ser mucha con lo que es díficil hacer las aproximaciones necesarias con respecto a I0. Todo esto nos produce que lo métodos de extracción de parámetros no sean aplicables en muchos casos.

Para muestra un botón:

Ajuste para una célula solar inorgánica:

Como se puede observar se ajusta bastante bien con los dos primeros métodos, (el tercero parece que no ajusta con ninguna.

En la siguiente gráfica podemos ver un ejemplo de como se ajusta a una de nuestras células, en las que, bueno se puede hablar de cierto éxito, casi se ajustan dos.

Pero en la siguiente, ya me dirás si se puede concluir algo ;-P

Bueno si se puede concluir, que en la células que salen bien, es decir tienen un rendimiento aceptable y un buen Fill Factor funcionan relativamente bien los métodos de extracción de parámetros, pero en las otras, dejan bastante que desear.

P.D.: Este post refleja que no soy un comunicador nato, así que agradezco comentarios y si algo ha quedado oscuro y queréis que profundice, si puedo lo haré.