PEROVSKITA Y SU USO EN “WATTWAYS” Nombre: Micaela Miranda A. Código: Materia: 37534 Materiales para ingeniería Fecha de presentación: 13/05/2017 1. Antecedentes del material. El hombre desde sus inicios ha aprendido como producir energía y manipular la misma de acuerdo a sus necesidades, desde el fuego (energía calorífica), pasando por el uso de energía mecánica, hasta el descubrimiento de la energía eléctrica, siendo esta la más importante actualmente. Hoy en día conocemos diversos tipos de energías, las cuales son aprovechadas para ser transformadas en energía eléctrica, los sistemas de transformación tradicionales, como la quema de combustibles fósiles ha contribuido a la contaminación y al calentamiento global, además las fuentes de estos combustibles se van agotando, por lo que nos vemos frente a una inminente crisis energética. Debido a estos factores nos hemos visto obligados a realizar investigaciones para poder encontrar fuentes de energía sustentables, es decir energías cuyo origen se encuentra en fenómenos naturales o materiales que sean producidos por la naturaleza, esto implica que se encuentran disponibles de manera continua. Hablamos ahora de la búsqueda de “nuevas energías renovables”, como la eólica, geotérmica nuevas aplicaciones del hidrogeno, etc. Nos centramos en la energía solar, que junto con las placas solares, son un método de producción de energía sustentable y una alternativa a los métodos tradicionales de producción de energía contaminante. Se han desarrollado diversos materiales con propiedades fotovoltaicas que puedan ser aplicados la fabricación de placas solares, de esta manera las perovskitas han logrado protagonizar una revolución que ha sido desencadenada por la aplicación de materiales híbridos organo-inorganicos en dispositivos fotovoltaicos, los cuales podrían llevar el uso de energías renovables a nuestra vida cotidiana. El geólogo alemán Gustav Rose, realizo expediciones por varias regiones de Rusia con el objeto de clasificar sus riquezas geológicas, aunque tuvo numerosos descubrimientos, seguramente el más famoso fue el que se produjo en 1839 en los Urales, donde encontró una roca poco llamativa de color pardo amarillento. Rose decidió homenajear al académico ruso Lev Aleksevich von Perovski dándole su nombre al nuevo mineral. Hoy sabemos que la muestra que Rose encontró era CaTiO3 (titanato de calcio), y que los materiales con esta estructura poseen propiedades notables. Vemos el titanato de estroncio, que se puede sintetizar de manera controlada en un laboratorio, es un buen ejemplo de material piezoeléctrico, capaz de responder a la presión generando una pequeña deferencia de potencial. Pero las perovskitas pueden adoptar una increíble variedad de composiciones químicas, y de igual manera sus propiedades físicas pueden ir cambiando lo cual les permite tener un amplio rango de aplicaciones. 2. Definición del Problema. Como ya ha sido mencionando nos vemos enfrentados a la posibilidad de una crisis energética debido al agotamiento de fuentes no renovables de energía, además del gran problema de contaminación que genera el uso de combustibles fósiles o elementos radioactivos. Se ha visto ya el uso de energía solar como una fuente energética alternativa, se la ha aplicado por ejemplo en África para llevar electricidad a comunidades que por diversos factores no pueden contar con otro tipo de instalación eléctrica. Sabemos que el uso de energía solar implica un beneficio al ambiente, además de que si bien hoy en día las celdas solares tienen un elevado precio, el uso de energía solar genera a largo plazo un gran ahorro económico. Por tanto el uso de esta energía renovable en nuestra vida cotidiana seria por demás beneficioso. Uno de los usos de la energía eléctrica que genera mayor consumo, por tanto mayor contaminación y mayor gasto económico, es el alumbrado público, tanto de ciudades como de carreteras. Este es el problema que será foco de mi investigación, siendo que pretendo proponer como solución la aplicación de paneles fotovoltaicos o celdas solares hechas de perovskita, ya que esta tiene muchas ventajas frente a las celdas solares que actualmente se producen, que están en su mayoría fabricadas de silicio. 3. Objetivos de la investigación. El objetivo general es investigar las propiedades de los materiales tipo perovskita que pueden indicar que es posible aplicar dicho material en la solución del problema definido. Los objetivos específicos son: Determinar cuáles son las ventajas de las celdas solares hechas de perovskita frente a las celdas solares de otro material Establecer cuáles son los obstáculos o las limitantes del material que impiden en la actualidad el uso de celdas solares de perovskita de manera cotidiana. 4. Propiedades del material. 4.1 Clasificación de las propiedades: 4.1.2. Propiedades eléctricas Superconductividad: Consiste en la desaparición de la resistencia eléctrica de un material por debajo de cierta temperatura, la cual se conoce como temperatura critica. Los materiales de tipo perovskita por lo general presentan una alta temperatura crítica. Materiales dieléctricos: Son aquellos que no tiene cargas libres. Sin embargo bajo la acción de un campo eléctrico externo las partículas que componen el material dieléctrico (átomos, moléculas, etc.) conforman dipolos eléctricos. Polarización: cada dipolo presenta una separación entre la carga positiva, el momento dipolar es una vector dirigido desde la carga negativa hacia la positiva. En presencia de campo eléctrico, una fuerza (o torque) actúa sobre el dipolo eléctrico que deriva en el alineamiento mutuo de los dipolos atómicos o moleculares con el campo externo para orientarlo en la misma dirección del campo aplicado, fenómeno que es llamado polarización. Existen 3 tipos o fuentes de polarización: electrónica, iónica y de orientación. Los materiales dieléctricos ordinarios exhiben al menos uno de estos tipos de polarización, dependiendo del material y de la aplicación del campo externo. Ferroelectricidad: Son materiales dieléctricos que presentan una polarización espontanea, es decir en ausencia de una campo eléctrico externo. Algunas de las causas de la ferroelectricidad son la distorsión de la red cristalina, giros en los octaedros que se forman en las fases con estructura tipo perovskita y tamaño de los cationes involucrados. Una característica de todos los materiales ferroectricos es la piezoelectricidad, que es cuando se genera un campo eléctrico al interior del material como resultado de una deformación mecánica. 4.1.3. Propiedades magnéticas: Diamagnetismo: Es una forma muy débil de magnetismo, la cual no es permanente y persiste sólo cuando un campo magnético externo está siendo aplicado. Es inducido por el cambio en el movimiento orbital de los electrones por efecto de la aplicación de un campo externo. Paramagnetismo: Para algunos materiales sólidos, cada átomo posee un dipolo permanente en virtud de la cancelación incompleta de los momentos magnéticos de espín y de orbital. En ausencia de un campo magnético externo, las orientaciones de estos momentos magnéticos son aleatorias, consecuentemente, cada pieza del material posee una magnetización macroscópica neta. Los dipolos atómicos poseen una rotación libre y el fenómeno de paramagnetismo resulta de la alineación preferencial que adopten, en virtud del campo magnético externo. Ferromagnetismo: los materiales ferromagneticos poseen un momento magnético permanente y de gran valor en ausencia de un campo externo y manifiestan grandes valores de magnetización. Ferrimagnetismo: Algunas cerámicas exhiben una magnetización permanente denominada ferrimagnetismo. Las características magnéticas macroscópicas para ferromagnéticos y ferrimagnéticos son similares; la distinción yace en la fuente del momento magnético. 4.2. Estructura: Hablando un poco de la estructura este tipo de materiales presenta una enorme capacidad de combinar un catión grande A, con otro de menor tamaño B junto con un anión adecuando X, que generalmente es oxígeno, formando un compuesto de tipo ABX3. A pesar de la simplicidad de la estructura cristalina original de la perovskita, esta familia de compuestos presenta una enorme variedad de modificaciones estructurales y variantes. Estas modificaciones estructurales implican cambios en sus propiedades eléctricas y magnéticas. Desde el punto de vista de sus estructuras cristalinas los materiales de tipo perovskita presentan un cambio en sus propiedades, de manera que los sistemas ortorrómbicos y romboédricos presentan superconductividad, los tetragonales son conductores, y los cúbicos no cuentan con estas propiedades. En la figura se observa la distribución de la red de las perovskitas, la cual exhibe que al dopar los sitios A o B (sustituir parcialmente uno o ambos cationes) de la estructura se originan las vacancias, que, a su vez, originan las propiedades descritas. Las perovskitas de tipo manganitas son las familias de perovskitas que contienen al manganeso como principal componente (A1−xBxMnO3), de acuerdo a la concentración de dopaje en el sitio B que se realice esta estructura ira cambiando sus propiedades eléctricas y magnéticas. Ira desde un sistema aislante y anti ferromagnético (baja concentración de dopaje), a un sistema aun aislante pero ferromagnético, hasta un sistema ferromagnético con transición aislantemetálico. Las perovskitas mas usadas para la elaboración de paneles fotovoltaicos con el titanato de calcio (CaTiO3) y el titanato de bario (BaTiO3), que presentan estructuras similares. Analizaremos al BaTiO3: Estructura cristalina: Su red cristalina es adoptada por múltiples compuestos de la forma ABO3, donde A es un catón de radio iónico grande y coordinación 8-12 que ocupa los lugares vacíos entre los octaedros de oxígeno y B un catión de radio iónico pequeño y coordinación 6 que se sitúa en el centro del octaedro de oxígeno. Esta red cristalina es adoptada por múltiples compuestos de la forma ABO3, donde A es un catón de radio iónico grande y coordinación 8-12 que ocupa los lugares vacíos entre los octaedros de oxígeno y B un catión de radio iónico pequeño y coordinación 6 que se sitúa en el centro del octaedro de oxígeno. Diagrama de fases: La solubilidad de los compuestos BaO y TiO2 en el BaTi03 ha mostrado ser muy limitada. En el caso del óxido de bario es menor de 100 ppm , siendo para el óxido de titanio inferior a 0,1 mol% . Pequeñas desviaciones de la estequiometría del compuesto (Ba/Ti = 1.000) dan lugar a la aparición de segundas fases, Ba2Ti04 (ortotitanato de bario) en el caso de exceso de óxido de bario o «politatanatos» en caso de exceso de óxido de titanio. Bajo esta denominación de politatanatos existen un gran número de compuestos que pueden aparecer, dependiendo de la temperatura a la que se ha tratado el titanato de bario. El BaTi03 funde congruentemente a 1.618 °C, pero la presencia de un punto eutéctico en la zona rica en TiO2 hace que un ligero exceso de Ti4+ dé lugar a formación de líquido a 1.332 °C. La fase hexagonal del titanato de bario se obtiene por encima de 1.460 °C, aunque la transformación es reversible puede llegar a estabilizarse metaestablemente a temperaturas inferiores. Morfología: Síntesis: El mecanismo de formación del BaTi03 puede resumirse en tres pasos básicos: 1. Descomposición del BaC03 y difusión de Ba2+ en las partículas de TiO2. BaCO3 + TiO2 → BaTiO3 + CO2↑ 2. La formación de BaTi03 dificulta la difusión de los iones Ba2+ y favorece la aparición de una segunda fase. BaCO3 + BaTiO2 → BaTiO4 + CO2↑ 3. Formación final de BaTi03 Ba2TiO4 + TiO2 → 2BaTiO3 La utilización de atmósferas de CO2 o N2 a 1.100°C puede suprimir la formación de la fase intermedia Ba2Ti04. El carbonato de bario es un compuesto muy estable y su descomposición térmica, en presencia de TiO2, comienza a temperaturas del orden de 700°C. De igual forma, el hecho de que la reacción se produzca por difusión de Ba2+ implica altas temperaturas (por encima de 1.000 °C) y tiempos de reacción largos, lo que indica una tendencia a la aparición de segundas fases remanentes. Las características de los precursores (BaC03 y TiO2) como pueden ser pureza, morfología, tamaño de partícula y el estado cristalino del polvo modifican la proporción de fases secundarias que se forman y la temperatura a la que se completa la reacción, dando lugar a polvos cerámicos de BaTi03 con propiedades y comportamientos de densificación bien diferenciados. En cualquier caso, las consecuencias de estas altas temperaturas sobre la morfología del polvo cerámico son la presencia de heterogeneidades y elevados tamaños de grano (aproximadamente un 27% mayores que los granos de TiO2 iniciales). El grado de pureza del producto final viene limitado por los óxidos de partida y la contaminación producida como consecuencia de las distintas etapas del proceso cerámico, en particular durante las etapas de molienda. 5. Posibles usos. Las propiedades fotovoltaicas de este material lo hacen óptimo para la elaborancion de celdas solares, las cuales pueden ser producidas a bajo costo y tener un rendimiento similar al del silicio. Al principio de las investigaciones del uso de este material en paneles fotovoltaicos, la eficiencia de la perovskita era del 5%, sin embargo, en menos de 5 años se ha logrado alcanzar un 21% lo cual es cercano al porcentaje de eficiencia del silicio que es del 25%, cabe mencionar que el proceso de manufactura de celdas solares de perovskita es mucho más barato, ya que se puede sintetizar este compuesto a bajas temperaturas, lo cual hace que sea un material competitivo frente al silicio de manufactura costosa. Otra ventaja del uso de perovskita contra el uso de silicio, es que se requieren láminas más delgadas, las láminas de silicio suelen ser 150 micras de grosor, mientras que las de perovsikita solo son de media micra, es decir que se requiere menos material. “Esa delgada capa de perovskita podría aplicarse en una oblea, pero también en casi cualquier material imaginable, des-de los cristales de un edificio, hasta una lámina de PVC o incluso la ropa que llevamos puesta”. Pese a las varias ventajas de los paneles de perovskita, tienen dos grandes desventajas, que son su corto tiempo de vida útil y su contenido de plomo. Debido a esto lo mejor que se puede hacer ahora con este material son celdas solares hibridas llamadas “tándem”, formadas de perovskita y silicio, que proponen aumentar la eficacia del silicio. Otras aplicaciones del material vienen dadas por sus propiedades de superconductor, como la fabricación de cables de transmisión de energía, además de otras aplicaciones propias de los electroimanes superconductores, la más interesante es por ejemplo la levitación que podría ser usado en sistemas de transporte masivo. 6. Como piensa usar el material propuesto en la solución del problema. Como solución al elevado gasto que implica el alumbrado público, podría ser posible la implementación de carreteras construidas mediante la instalación de paneles fotovoltaicos. Este proyecto denominado “Wattway” ha sido desarrollado por el grupo empresarial Colas, que ha construido este tipo de carreteras ya en más de 100 lugares del mundo, entre los que destaca por su dimensión el de la localidad francesa d francesa de Tourouvre, en Normandía. “Se trata de una instalación beta de 2.800 metros cuadrados de paneles solares que se prevé generen picos de energía de hasta 280 kWh, lo suficiente como para proporcionar energía a una ciudad de 5.000 habitantes. La electricidad generada por este tramo de carretera solar se empleará directamente en la red, en la carga de vehículos eléctricos, y para alimentar una pequeña planta de producción de hidrógeno. El porqué de la inmensa extensión que planea Colas responde, más allá del valor de la energía solar para el futuro, al enorme abaratamiento que han experimentado estos sistemas en los últimos años. Tan solo en el periodo comprendido entre 2010 y 2015, el precio de los módulos solares ha caído un 67% mientras que los sistemas fotovoltaicos lo han hecho en un 57%. En la actualidad, el proceso de supervisión y posterior instalación del sistema oscila entre los 2.000 y 2.500 euros.” (Canal de información Eco.Motores) Material utilizado actualmente para Wattway Los paneles utilizados para la construcción tienen medio centímetro de espesor, constan de una capa de vidrio antideslizante que le proporciona resistencia, y la segunda capa que es de silicio cristalino, su cableado eléctrico va integrado en el asfalto. La instalación de este tipo de carreteras supone una enorme inversión, la cual podría ser reducida al reemplazar el uso de silicio por un panel hibrido de silicio con perovskita, que implica un aumento de eficiencia y un abaratamiento de costos de manufactura.
