DIRECTO DIRECTOR GENERALRIO Dr. Elder de la Rosa Cruz [email protected] DIRECTOR DE INVESTIGACIÓN Dr. Gabriel Ramos Ortiz [email protected] DIRECTOR DE FORMACIÓN ACADÉMICA Dr. Luis Armando Díaz Torres [email protected] DIRECTOR DE TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN Dr. Gonzalo Páez Padilla [email protected] DIRECTOR ADMINISTRATIVO Lic. Silvia Elizabeth Mendoza Camarena [email protected]
Loma del Bosque 115 Col. Lomas del Campestre C.P. 37150 León, Guanajuato, México Tel. (52) 477-441-42-00 www.cio.mxPERSONAL · NOTICIOEditor AdministrativoElder de La Rosa.Editores CientíficosVicente Aboites, Mauricio Flores, Alfredo Campos.Reportajes y EntrevistasEleonor León.Diseño EditorialLucero Alvarado.ColaboracionesJosé Luis Maldonado, Manuel I. Peña, Haggeo Desirena,Carlos Pineda, Iván Salgado Transito, Oracio Barbosa García.
EDITO- ELDER DE LA ROSA El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) cumple este 18 de abril 37 años de su fundación. Como parte de las celebraciones, la comunidad CIO realiza activi- dades de esparcimiento, deporte y una tradicional caminata hacia el Cerro Gordo de León, Guanajuato, a donde suben empleados y estudiantes de este Centro, para disfrutar de un desayuno informal, realizar una fotografía grupal y fortale- cer lazos fraternales. El CIO fue fundado por el Dr. Daniel Malacara Hernández el 18 de abril de 1980, esta generación de conocimiento, contribuye al desarrollo de una cultura científica y tecnológica, además de la formación de capital humano en el campo de la óptica y fotónica. Este Centro inició actividades con tan sólo cuatro investigadores en un local rentado. Desde entonces se ha fortalecido tanto en recursos humanos como en infraestructura. Actualmente cuenta con 11 edificios con más de 25,000 m2 que albergan más de 40 laboratorios con equipamiento de punta. Los integran más de 200 empleados, de los cuales más de 150 es personal científico y tecno- lógico. Tiene una matrícula con más de 150 estudiantes de posgrado y atiende a más de 250 estudiantes por año en diferentes estancias. Se llevan a cabo anual- mente más de 45 proyectos de investigación y más de 20 proyectos de desarrollo tecnológico, lo que muestra su impacto en el sector productivo. Cuenta con uno de los programas de divulgación de la ciencia más sólidos dentro del sistema de centros CONACYT. A lo largo de estos años, el CIO ha dado muestras de su capacidad para la generación de nuevos conocimientos y desarrollo tecnológico. Es actualmente la institución líder a nivel nacional en el área de óptica y fotónica, que aspira a una posición de liderazgo a nivel internacional. Pero sobre todo, aspira a aportar soluciones a los grandes problemas nacionales.
Su aniversario número 37, representa para el CIO el motivo perfecto para cele-brar y para multiplicar esfuerzos en el ámbito científico, académico, tecnológicoy de divulgación de la ciencia; todo esto para dar a conocer los programas con-solidados, iniciativas y laboratorios nuevos, así como las capacidades y ofertatecnológica con la que esta institución cuenta. Todo ello significa en la historia del CIO un proceso para consolidar capa-cidades científico-tecnológicas de laboratorios, las áreas de investigación con lasque inició, pero también para responder a las demandas de la región y del país.La investigación que se ha venido desarrollando a lo largo de estos años resuelveproblemáticas ya no solo de ingeniería óptica, sino también para los sectoresde salud, energía, manufactura y alimentos, temas relevantes a nivel nacional yglobal. Se ubica actualmente como la institución nacional líder en el campo de laóptica y fotónica, los recursos humanos que se han formado en ella, reflejan engran medida la calidad académica con la que cuenta este Centro, al encontrarseinsertados en el sector educativo y empresarial dentro y fuera del país. Dr. Elder de la Rosa Cruz Director General Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.RIAL
NOTICIO INDICEEn el CIO realizamos investigación básica, tecnológicay aplicada que incrementa nuestro conocimientoy nos permite resolver problemas tecnológicos yaplicados vinculados con la óptica. En particular enlas áreas de: pruebas no destructivas, holografíay materiales fotosensibles, visión computacional einteligencia artificial, óptica médica, instrumentación,infrarrojo, materiales fotónicos inorgánicos y orgánicos,nanomateriales, láseres y aplicaciones, espectroscopía,fibras ópticas, sensores, opto-electrónica, cristalesfotónicos, comunicaciones y dinámica de sistemascomplejos. Este trabajo se realiza por investigadoresdel CIO o en colaboración con empresas e institucionesacadémicas nacionales y extranjeras. NotiCIO es unapublicación trimestral que tiene como objetivo dar aconocer a una audiencia amplia los logros científicosy tecnológicos del CIO para ayudar a que éstos seancomprendidos y apreciados por su valor para losciudadanos, para nuestro país y para el mundo. ElCIO pertenece al Sistema de Centros Públicos deInvestigación Conacyt del Gobierno Federal. Mayorinformación sobre el CIO puede obtenerse en el sitiowww.cio.mxCIOmx Centro de Investigaciones @CIOmx en Optica A.C.
C O N T E N I D O N o. T R EC E 2O17EDITORIAL 4 Dr. Elder de la Rosa.10 Aprovechamiento de la energía solar, 51 Materiales luminiscentes simulación y capacidades de la Unidad 54 Biomasa, biocombustibles Aguascalientes y capacidades en el CIO14 Fusión nuclear: Vía láser20 60Nuevos materiales: Tecnología emergente Lista de publicaciones de artículos para el aprovechamiento de la energía solar26 Investigando el material del futuro: Grafeno30 Tecnología LED en México: ¿inorgánica, orgánica o híbrida?34 Potabilización solar: Agua para todos38 Centros mexicacnos de innovación en energía46 Celdas fotovoltaicas orgánicas 7 NC
ARTÍCULO AGUASCALIENTES aprovechamiento de la energía solarsimulación y capacidades de la Unidad Aguascalientes en este tema MANUEL I. PEÑASe puede afirmar, sin duda alguna, que el apro- gía. Los sistemas fotovoltaicos funcionan bajo elvechamiento de la energía solar ha sido funda- principio fotoeléctrico, en donde los fotones pro-mental para el desarrollo de la actividad humana venientes del sol excitan un material semiconduc-en el planeta. La energía solar, base de aspectos tor para producir electrones/energía eléctrica. Loselementales como la agricultura, iluminación y sa- sistemas termosolares tienen un principio de fun-lud, hasta cuestiones modernas surgidas en déca- cionamiento distinto, pues utilizan la energía solardas recientes como la generación de calor y elec- concentrada sobre un receptor para producir calor y trasferirlo a un fluido (algo similar a cuando detricidad, ha permitido que la especie prospere con niños utilizábamos una lupa para concentrar la luzcierto grado de comodidad en un mundo tradicio- del sol sobre un objeto para quemarlo), aunque los sistemas termosolares industriales típicamentenalmente hostil. utilizan espejos, aluminio especial o películas plás- En términos tecnológicos, los sistemas de ticas de alta reflectividad para concentrar la luz enaprovechamiento de energía solar se pueden di- lugar de lupas. De esta forma, se puede tener unvidir en dos grandes rubros, entre los que se en- sistema termosolar que, dependiendo su tamaño ycuentran los llamados “sistemas fotovoltaicos”; un características, es capaz de producir agua caliente para tomar un baño en casa (baja temperatura 40tanto más conocidos por la población en general,y los denominados “fototérmicos” o termosolares. - 90 ºC), procesos en la industria que requieren deAmbos sistemas utilizan la radiación solar como un fluido más caliente (mediana temperatura 100fuente primaria de combustible. Sin embargo, sediferencian en el fenómeno de conversión de ener- 10
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ARTÍCULO AGUASCALIENTES- 250 ºC) o el caso impresionante de la generación energía solar se requiere un equipo técnico multi-de vapor sobrecalentado para producir energía disciplinario e instrumentos científicos altamenteeléctrica mediante una turbina (alta temperatura sofisticados. Bajo esta premisa, el Centro de In-300 - 1000 ºC) y de esta forma sustituir la quemade combustibles fósiles por energía renovable, per- vestigaciones en Optica - en su Unidad Aguasca-mitiendo ahorros considerables a nuestro recibo lientes, cuenta con personal técnico y científicode gas y logrando un mundo menos contaminado. altamente capacitado que realiza investigación, Para diseñar, construir y evaluar la tec- desarrollo e innovación (I+D+I) en áreas priorita-nología necesaria para el aprovechamiento de la rias para la penetración de la tecnología en el mer- cado mundial. Las áreas principales que se desa- 12
rrollan en el Grupo de Investigación e Ingeniería bustibles alternativos como el hidrógeno y la de-en Energía Solar (GIIE-Sol) involucra la Evaluacióndel recurso solar; mediante el desarrollo de senso- gradación de contaminantes y la Caracterizaciónres inteligentes para cuantificar la disponibilidad óptico-térmica; implementando metodologías quede la radiación solar, Diseño mecánico; para la ma- permitan certificar estos sistemas comerciales. Actualmente en el CIO-Ags, se encuentranufactura de prototipos, Instrumentación y con- en la etapa de construcción un Simulador Solar de Alto Flujo Radiativo (SSAFR) para el desarro-trol; para desarrollar mejoras en los componentes llo de aplicaciones de generación de calor y com-eléctricos, Química solar; háblese de materialesfotosensibles que permitan la producción de com- bustibles solares con una potencia nominal de 16 kW. Un SSAFR consiste en un arreglo de lámparas de arco de Xenón de alta potencia acopladas a un concentrador de alta calidad, el cual concentra la radiación de manera homogénea sobre un punto o “spot”. Con ello, se consigue obtener la repre- sentación del espectro solar a nivel laboratorio de la mejor manera posible, con la ventaja añadi- da de tener altos niveles de energía de una mane- ra controlada. Imaginemos una enorme lupa que nos permite tener al sol a nuestra disposición a cualquier momento del día en la dosis que quera- mos. Este equipo, único en el país, será un com- ponente clave para posicionar al Centro de Inves- tigaciones en Óptica a la par de otros centros de investigación en el mundo que actualmente rea- lizan investigación de primer nivel en el área de energía solar concentrada con simuladores sola- res; como el Paul Scherrer Institute - ETH Zurich en Suiza, la Universidad Nacional Australiana y la Universidad de Minnesota en EUA. Este equi- po, permitirá realizar investigación de frontera en áreas de gran impacto para la tecnología so- lar, contribuirá a la generación de conocimiento, formación de capital humano y al desarrollo de tecnología que apoyen la formación de un modelo de país más sustentable. 13 NC
ARTÍCULOfusión nuclearvía láser VICENTE ABOITESUna de las más importantes fuentes alternativas de energía esla fusión nuclear, se espera que a mediados de este siglo se cons-truyan los primeros reactores de fusión para generación comercialde electricidad. Una planta para la generación de energía de fu-sión tiene muchas ventajas sobre otras fuentes alternativas. Porejemplo, a diferencia de una planta termo-eléctrica que quema gaso petróleo, un reactor de fusión prácticamente no contamina elambiente ni produce gases con efecto invernadero. A diferencia dela energía eólica o solar los reactores de fusión producen energíaconstante y abundante independientemente de las condiciones cli-máticas. También, a diferencia de la energía solar que requiere degrandes extensiones de terreno para producir energía significativalo cual hace de una planta de energía solar una instalación muypoco ecológica, la eficiencia energética de un reactor de fusión porhectárea es inigualable. Finalmente a diferencia de un reactor nu-clear de fisión convencional, un reactor de fusión no puede nuncaquedar fuera de control y representar un problema de seguridad ycontaminación radioactiva. 14
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ARTÍCULOSe sabe que hay dos tipos de reacciones nucleares nuclear es el proceso por medio del cual los núcleosimportantes para la generación de energía: La fisiónnuclear y la fusión nuclear. La fisión nuclear es el de átomos ligeros como el Hidrógeno, el Deuterio oproceso por medio del cual el núcleo de un átomo el Tritio, se aglutinan (se fusionan) formando el nú-pesado como el Uranio o el Plutonio se rompe (se cleo de un nuevo átomo más pesado y la liberaciónfisiona) dando como resultado átomos más ligeros de abundante energía. Un ejemplo es la reacción:y energía. Un ejemplo es la reacción: U + n → Kr + D + T → He + n. En esta reacción los núcleos delBa + 3n. En esta reacción un neutrón (n) fisiona a átomo de Deuterio (D) y del Tritio (T) se fusionanun átomo de Uranio (U) dando como resultado la li- para producir un núcleo de Helio (He), un neutrónberación de energía, un átomo de Kripton (Kr), uno (n) y abundante energía. La fusión nuclear es la res-de Bario (Ba) y tres neutrones (n). Procesos de este ponsable de la energía generada en el Sol y en todas las estrellas. Actualmente esta energía solo puedetipo son los que ocurren en el interior de un reactornuclear de fisión (como el de Laguna Verde, en Vera- ser liberada en la Tierra por medio de violentas ex-cruz) y en las primeras bombas atómicas (como las plosiones termonucleares de fusión. Construir unde Hiroshima y Nagasaki). Por otra parte la fusión reactor nuclear para fusión controlada es un gigan- tesco reto científico-tecnológico debido a que para 16
tener la fusión de dos núcleos estos se deben acer- peraturas tan altas. Hay dos formas de resolver estecar y finalmente aglutinar (fusionar) superando la problema conocidas como “confinamiento magné- tico” y “confinamiento inercial o láser”. El primernatural fuerza de repulsión electrostática entre los método consiste en utilizar un dispositivo llamadodos núcleos que es enorme. Para lograr fusión nu- Tokamak que tiene forma de “dona”. Allí utilizan- do campos magnéticos muy intensos se logra que elclear los átomos participantes deben previamente plasma producido a 100 millones de grados quedehallarse a temperaturas similares a las que se en- localizado como un hilo flotando en el interior de lacuentra el núcleo del Sol (¡alrededor de 100 millo-nes de grados¡). Solo así los núcleos de los átomos dona y separado de las paredes de metal del Toka- mak. Solamente allí pueden ocurrir las reaccionesparticipantes en las reacciones de fusión pueden de fusión nuclear y por tanto la liberación contro-superar la repulsión electrostática entre ellos. Esto lada de abundante energía. La segunda forma con-debe de darnos una idea de la inmensidad del reto siste en utilizar láseres para calentar el combustiblecientífico ya que se debe de disponer de un reactorque contenga un gas (llamado “plasma”) a esa altísi- nuclear a los 100 millones de grados requeridos.ma temperatura. Sin embargo no existe ningún ma- De este modo se logra una micro-explosión termo-terial que pudiera resistir y contener gases a tem- 17 NC
ARTÍCULOnuclear que libera cantidades controladas de ener- cada litro de agua de mar contiene 33 miligramosgía. Así como de el motor de un automóvil se obtie- de deuterio y éste se produce de modo rutinarione un flujo continuo de energía mecánica a partir para muchas aplicaciones industriales y científicas.de una serie de pequeñas explosiones que ocurren Por otra parte el Tritio se encuentra de modo na-en el interior de un cilindro, así, análogamente, deuna serie de micro-explosiones termonucleares se tural en muy pequeñas cantidades en la Tierra, sinpretende obtener un flujo continuo de energía quepermita la generación de electricidad. embargo el Tritio puede generarse a partir del Litio mediante la siguiente reacción: Li + n → T + He. Actualmente se construye en Cadarache, Esto es, al reaccionar el Litio con un neutrón pro-Francia, el reactor termonuclear “Iter” con la co- duce Tritio más Helio. Es interesante que nuestro país cuenta con enormes reservas de Litio el cuallaboración de Estados Unidos, Rusia, China, India, como se ha visto es importante no porque sirvaJapón, Corea y la Unión Europea. Como ya se men- para producir “pilas de larga duración” sino porquecionó, el combustible utilizado en un reactor de fu- sirve para producir combustible termonuclear. Elsión es Deuterio y Tritio. El Deuterio se encuentra Litio es uno de los más importantes recursos ener- géticos estratégicos del futuro.en el agua, es inofensivo y virtualmente inagotable; 18
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ARTÍCULOnuevos materialestecnología emergente parael aprovechamiento de laenergíasolarELDER DE LA ROSAEl interés en el aprovechamiento de la energía solar ha motiva-do el desarrollo de nuevos materiales que mejoren la eficiencia deconversión de la luz del sol en electricidad. En los últimos años se han desarrollado nuevos materiales,a fin de mejorar la eficiencia de conversión y reducir costos de pro-ducción para que estos dispositivos lleguen al mercado. En general,este tipo de dispositivos pueden fabricarse a base de materialesllamados: semiconductores, que tienen la propiedad de absorberla luz del sol y producir electricidad. La primera generación de estos dispositivos, y que se en-cuentran en el mercado, se fabrican a base de semiconductores enbulto (poco menos de un milímetro de espesor). Un ejemplo de es-tos son las celdas solares de silicio, con eficiencia de conversiónmayor a 25% (es decir, solo un cuarto de la luz incidente es conver-tida a electricidad) y una participación de mercado del 90%. La se- 20
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ARTÍCULOgunda generación de estos dispositivos, se cons- ciencia récord del 22%. Las tres últimas tienen untruye a base de películas delgadas de solo unos gran potencial por su bajo costo de producción y porque se pueden aplicar en substratos flexibles.cuantos micrómetros de espesor (un micrómetro Pero es la última, la que actualmente llama más laes 0.001 de un milímetro). El ejemplo represen- atención, pues la alta eficiencia se ha obtenido entativo de esta tecnología son las celdas a base del apenas cinco años comparado con los más de 10 años que ha tomado desarrollar las OPVs.semiconductor llamado teluro de cadmio (CdTe) ¿Qué es una perovskita? Es un materialque presenta una eficiencia de conversión del cristalino que absorbe la luz del sol y la convier-21% y tiene una participación del mercado del5%. Esta última es una tecnología de fabricación te a electricidad. Deriva su nombre del hecho demás barata, pero es un material escaso lo que in- que los elementos que la integran se ordenan encrementa el costo. forma similar al mineral cristalino llamado pero- La tercera generación de celdas solares, vskita que está compuesto de átomos de calcio,actualmente en desarrollo, utiliza tecnologías titanio y oxígeno (titanato de calcio CaTiO3) or-con el potencial para mejorar la eficiencia de con- denados formando una estructura cúbica con unaversión y desempeño y está basado en películas formula genérica ABX3. En esta fórmula, A y B representan átomos condelgadas de nuevos materiales semiconductores, carga positiva (cationes) pero el primero, es mu-incluye celdas solares de colorantes o moléculassintéticas (DSSC, por sus siglas en inglés) con efi- cho más grande que el segundo, mientras que Xciencias de conversión de luz a electricidad del representa un átomo con carga negativa (anión)12%; orgánicas o compuestos a base de átomosde carbono (OPV) con eficiencias del 11.5%; de que enlaza a los dos cationes tal como se muestra en la figura 1.puntos cuánticos o materiales semiconductores En las celdas solares de perovskitas, A esdel tamaño nanométrico (QD-PV, un nanómetro una molécula orgánica con carga positiva (meti-es 0.000001 de un milímetro) con eficiencias del lamonio, (CH3NH3)+), B es un átomo (inorgáni-10%; y más recientemente las celdas solares de co) de plomo (Pb+) con carga positiva, y X3 es unperovskitas, material híbrido o compuestos de átomo con carga negativa de Cloro (Cl-), Bromomaterial orgánico e inorgánico (P-PV) con efi- 22
(Br-) o Yodo (I-). Es decir, es un material híbrido Figura 1orgánico-inorgánico cuyas propiedades ópticas yelectrónicas dependen de la combinación de los NCmateriales elegidos. Los elementos que formaneste semiconductor son baratos y relativamentefáciles de producir. Tienen una alta capacidad deabsorción de la luz que se convierte a electrici-dad, que lo hacen muy prometedor para celdassolares pero también para diodos emisores de luz(LED) y diodos láser (LD). 23
Las celdas solares de perovskitas han mostrado La figura 3 muestra una imagen de microscopia electrónica de la sección transversal de una celda deun sorprendente avance en los últimos años. Elprimer reporte fue presentado en 2006 por Mi- perovskita desarrollada en nuestro laboratorio, conyasaka, con una eficiencia de conversión de luz a la cual hemos obtenido 18% de eficiencia de con-electricidad del 2.2%. Posteriormente, en 2012 versión, un voltaje de 1.07 V y 23.2 mA de corriente,Snaith y Murakami reportaron una eficiencia de como se muestra en el gráfico de la misma figura.conversión de 10.9% para el primer dispositivo Uno de los mayores retos es mejorar la es-totalmente sólido, que fue optimizado a 12% porel grupo de Soak y Gratzel en el mismo año. Es- tabilidad de los dispositivos pues actualmente setos últimos resultados motivaron un mayor inte-rés en este tipo de dispositivos desde diferentes degradan rápidamente. Una de las opciones paraaproximaciones. Desde entonces, se ha avanzado lograrlo, es el uso de puntos cuánticos de pero- vskitas, es decir, partículas de unos cuantos na-en el desarrollo de ambas configuraciones hasta nómetros de diámetro (1 nanómetro es 0.000001obtener 22% de eficiencia en 2016. de un milímetro), que también tienen un poten- En los últimos dos años, en el CIO hemos cial de uso en aplicaciones biomédicas. En la mis- ma figura se muestran fotografías de la luminis-venido trabajando en el desarrollo de este tipo de cencia de dichos puntos cuánticos obtenidos porceldas solares, en dos configuraciones. La figura nuestro laboratorio; en este caso la X de la formu-2 muestra un diagrama esquemático de cada una la se ha substituido por átomos de yodo, cloro yde ellas, ambas estructuras han sido desarrolla- bromo. Estos resultados colocan al CIO como unadas en nuestro laboratorio obteniendo una efi- de las instituciones líder en el desarrollo de esteciencia de conversión del 18%. tipo de dispositivos. 24
Figura 2 NCFigura 3 25
ARTÍCULO INVESTIGANDOEL MATERIAL DEL FUTURO: GRAFENO JOSÉ LUIS MALDONADOLaboratorio Nacional de Materiales Grafénicos Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electro- química (CIDETEQ), ubicado en Pedro Escobedo,(LNMG). Querétaro y el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO). La finalidad de este Laboratorio Nacional es Recientemente el Consejo Nacional de producir grafeno e híbridos (de TiO2 y ZnO y otrosCiencia y Tecnología (CONACyT) aprobó la Eta- metales con grafeno exfoliado, en sus diversas va-pa de Consolidación del Laboratorio Nacional deMateriales Grafénicos (LNMG) con sede en el Cen- riantes), dicha producción estará a cargo princi-tro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) palmente del CIQA, institución del área de químicaubicado en Saltillo, Coahuila. Como instituciones con gran experiencia en síntesis de diversos ma-participantes y colaboradoras están: el Centro de 26
teriales. Por su parte, el CIDETEQ y el CIO, apro- drado pesaría tan sólo 0.8 miligramos. Después devechando su experiencia y capacidades en electro- intensas investigaciones científico/tecnológicas aquímica y óptica, particularmente en el desarrollo nivel mundial, en el año 2004 se obtuvo este nue-de fuentes alternas de energía limpia como lo son: vo y asombroso material, llamado “el material dellas celdas foto-electroquímicas y orgánicas/híbri-das, respectivamente, aplicarán estos derivados futuro”. El grafeno posee un conjunto de caracte-grafénicos en la fabricación de prototipos de cel- rísticas como: alta flexibilidad, impermeabilidad,das foto-electroquímicas y celdas solares orgáni- transparencia y resistencia y es además un exce-cas e híbridas, respectivamente. lente conductor de electricidad y calor. Los cien-Grafeno: características y aplicaciones tíficos Andre Geim y Konstantin Novoselov de laEl grafeno es una sustancia compuesta por carbo- Universidad de Manchester (Reino Unido), reci- bieron en 2011 el Premio Nobel de Física “por susno puro, con átomos dispuestos en patrón regular experimentos fundamentales sobre el materialhexagonal, similar al grafito, pero en una hoja tandelgada como el tamaño de un átomo (10-10 me- bidimensional grafeno”. Referente a sus propieda-tros) y que puede ser 100 veces más fuerte que el des mecánicas, los ganadores del Nobel hicieronacero, siendo aproximadamente 5 veces más li- la siguiente comparación: una hamaca de grafenogero que el aluminio: una lámina de 1 metro cua- de un metro cuadrado de superficie y un solo áto- mo de espesor, podría soportar hasta 4 kg antes de romperse (equivalente al peso de un gato). En 27 NC
total esta hamaca pesaría lo mismo que uno de los Asimismo, en el área de energía, particularmen- te de energías renovables, a diferencia de las cel-pelos del bigote del gato, menos de un miligramo. das solares basadas en silicio, con el grafeno seContrario a lo que se podría pensar, dicho mate- podrían fabricar celdas fotovoltaicas más ligeras, eficientes, semitransparentes, flexibles y más eco-rial es considerablemente más económico que mu- nómicas. En el CIO se está desarrollando, en co-chos materiales que no reúnen por completo lasmismas características. No se clasifica como metal, laboración con distintas instituciones nacionales, variantes de grafeno a partir de grafito por distin-sin embargo puede ser considerado como un me- tos métodos. Se ha estado utilizado para dopar la capa activa de las celdas solares orgánicas, que estal transparente y altamente conductor. El sectorque ha mostrado más interés en este particular la que recibe la radiación solar y la absorbe, para tener una mayor conversión de energía solar amaterial es el de la electrónica y pronto, el grafe- energía eléctrica. Otra variante de grafeno se hano podría ser usado en la fabricación de teléfonos empleado en capas alternas de las celdas sola-celulares, tabletas, pantallas y demás dispositivos res, por ejemplo, en la capa colectora de huecoselectrónicos ultra delgados y mucho más ligeros para transporte de cargas positivas. Además seque los actuales y con baterías mucho más dura- puede aplicar como capa colectora de electronesderas que las presentes de litio. Estos dispositivosserían además mucho más resistentes a impactos e incluso como electrodos en las celdas solares,e inclusive pudieran llegar a plegarse o enrollarse. electrodos transparentes o semitransparentes yOtro sector de gran interés en el uso del grafeno es flexibles. La idea es fabricar celdas solares basa-el automotriz para la fabricación de baterías para das totalmente en materiales grafénicos.sus automóviles eléctricos, ya que a diferencia delas baterías de litio, las baterías basadas en grafe-no podrían ser más económicas, mucho más dura-deras y con la posibilidad de recargarse en unospocos minutos. 28
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tecnología leden méxico¿INORGÁNICA, ORGÁNICA O HÍBRIDA?ORACIO BARBOSA GARCÍA 30
El acrónimo LED corresponde a Light Emitting Esta tecnología se realiza con material semicon- ductor inorgánico y los LEDs se encuentran princi-Diode (Device) y traduce como Diodo (Dispositivo) palmente en colores rojo, amarillo y verde. Con unEmisor de Luz. Actualmente estos emisores de luz LED infra-rojo fue posible generar los reproducto-ya se observan como sustitutos de focos incandes- res de discos compactos y de video. En el año 2014centes y de lámparas fluorescentes (ahorradoras y tres investigadores con raíces japonesas recibie-normales), así como en diversos dispositivos que ron el premio nobel por desarrollar un LED de luztienen testigos de luz para identificar su encendido. azul eficiente, y con ello se logró generar luz blan-También se identifican en algunos televisores que ca. La luz blanca en este dispositivo está conforma-sustituyen aquellos de plasma o bien de cristal lí-quido (LCD) o ya no se diga de rayos catódicos. Los da por un LED azul que excita una mezcla de fós-LEDs se hacen cada vez más presentes en nuestra foros que emiten una coloración roja-amarilla y devida diaria debido a que tienen un bajo consumo de forma conjunta generan la luz blanca; la luz blancaenergía comparado con las fuentes de luz que sus- puede ser fría o cálida (esta clasificación ocurre,tituyen, son compactos y sobre todo generan una respectivamente, si el azul es más intenso que lamejor iluminación y en su caso ofrecen colores más coloración generada por los fósforos o cálida si sebrillantes que son más agradables al ojo humano. invierten las intensidades). El LED azul está cons- 31 NC
ARTÍCULOtituido por una mezcla de elementos como InGaN, marcas Samsung y LG (se reporta que en 2017 el mercado de teléfonos con tecnología OLED al-(indio, galio y nitrógeno) y los fósforos son mayor- cance el 32%). Para identificar la diferencia entre pantallas basta tener un par de teléfonos uno demente elementos de tierras raras. OLED y otra basada en la tecnología tradicional; Una tecnología que aún está en desarrollo anivel internacional son los LEDs orgánicos, llama- los colores en pantallas OLEDs son más brillantesdos OLEDs con la O de organics, y que usan tanto y las imágenes son de mayor calidad. La mismapolímeros como moléculas de bajo peso molecu-lar de tipo conjugado. Las ventajas que ofrecen los diferencia se observa en las pantallas de televiso- res que aparecieron en el mercado en el año 2014;OLEDs con respecto a los LEDs se basan en que sonaún más económicos de fabricar puesto que no re- consulte la siguiente página www.oled-a.org paraquieren de equipos sofisticados; además, median- los videos demo de Samsung sobre la tecnologíate la ingeniería molecular se podrá lograr mejores OLED en teléfonos y pantallas de televisión.colores y más brillantes; los OLEDs pueden ser También en desarrollo encontramos losflexibles para generar nuevos dispositivos como LEDs híbridos. Estos bien pueden ser de dos ti-pantallas enrollables y sistemas de iluminaciónmuy novedosos. Esta tecnología ya se encuentra pos, en uno se sustituye la mezcla de fósforos poren algunos teléfonos celulares, sobre todo de las colorantes orgánicos (la mezcla de fósforos no es económica debido a que sus componentes no son 32
abundantes) pero utilizan el LED azul para gene- centros CONACyT y Universidades. Los LEDs or- gánicos e híbridos también se estudian y se buscarar luz blanca. Otro tipo son los LEDs que utilizan desarrollarlos como una nueva tecnología en esos laboratorios. Sin embargo se enfrentan grandesla perovskita como material activo. La perovskitaes un material híbrido, una parte inorgánica y otra retos como el de generar y fortalecer grupos de in-orgánica, y también ha sido utilizado como cel- vestigación multidisciplinarios, además de contarda fotovoltaica para convertir radiación solar enenergía eléctrica; esta aplicación se ha hecho con con presupuestos mayores a los que se manejanmucho éxito desde los años 90’s. Sin temor a equivocarnos la tecnología LED puesto que es una carrera contra el tiempo por lano se ha desarrollado en nuestro país; todos los competencia internacional. También es necesa-LEDs que vemos y compramos son de importa- rio que el empresario considere y apueste a estación. Son los cuerpos que alojan los LEDs los que nueva tecnología que seguramente está en puerta.posiblemente se hagan en nuestro país; esto es, se De no tener estas condiciones para el desarrollohace una manufactura equivalente a la de los auto- de LEDs orgánicos o híbridos el país continuarámóviles: solamente se realiza el ensamble de pie- siendo un país de manufactura por su mano dezas. Sin embargo existe la capacidad intelectual y obra barata y el científico mexicano continuará ge-de infraestructura para fabricar los LEDs en los la- nerando conocimiento para que las grandes com- pañías lo aprovechen al ser reportado en revistasboratorios de investigación que existen en algunos internacionales como lo promueve CONACyT. 33 NC
ARTÍCULOpotabilizaciónsolaragua para todosCARLOS PINEDA 34
Una de las principales problemáticas a las que contaminación, esto, adicionado a los problemasse enfrenta la humanidad actualmente es el desa- de dureza ocasionados por las altas concentra-basto de agua potable, este problema se ve agra- ciones de sales, hacen inapropiada gran parte del agua contenida en los efluentes para consumovado en comunidades rurales. Una vez que el agua humano. El CIO, preocupado por esta problemá-ha sido utilizada por los diferentes sectores de la tica, ha propuesto diseñar y construir un proto-sociedad (rural, municipal, agrícola e industrial),ésta se convierte en un objeto de desecho, lo cual tipo que permita llevar a cabo la potabilizaciónrepresenta una seria amenaza a la salud, dado de agua proveniente de fuentes inmediatas, comoque durante estos procesos el agua es contamina- por ejemplo de pozos poco profundos o de ríos,da con sustancias tóxicas de origen antropogéni- especialmente de los Estados de Aguascalientes,co; en México por ejemplo, el nivel de tratamientode aguas residuales es de tan sólo del 36% para Morelos y Yucatán. El Grupo de Investigación eaguas municipales y del 15 % para aguas indus- Ingeniería en Energía Solar (GIIESol) del CIO entriales. Estas malas prácticas han ocasionado la colaboración con Investigadores del CICY y de la UAEM, y gracias al apoyo del CONACYT a través decontaminación de los diferentes cuerpos recep- la convocatoria “Proyectos de Desarrollo Científi-tores, lagos, lagunas, ríos, así como del agua pro- co para Atender Problemas Nacionales”, tienen elveniente de pozos poco profundos, gracias a loque hoy en día un porcentaje mayor al 70% de reto de diseñar y construir un equipo que con tanlas aguas superficiales contienen algún grado de sólo el adecuado aprovechamiento de la energía solar sea capaz de desalinizar y potabilizar agua 35 NC
ARTÍCULOFig. 1 Proceso de potabilización integral solar de agua para comunidades rurales.ligeramente contaminado, esto se logrará me- tanque de 500 L, y pasará a un sistema de filtrosdiante la integración de cuatro tecnologías princi- basados en membranas PTFE para desalinizarlapalmente: 1) la desalinización solar (membranas hasta límites permisibles. Posteriormente el aguaPTFE), 2) la fotocatálisis heterogénea, 3) la tecno- entrará a un reactor solar fotocatalítico, en la quelogía fotovoltaica y 4) la instrumentación óptica. por medio del semiconductor TiO2 soportado so-Por un lado, la energía necesaria para manteneren operación el sistema eléctrico del prototipo bre sustratos de anillos Pall y usando la luz solarserá subministrada mediante la instalación de concentrada como fuente de energía, será lleva- do a cabo el proceso de fotocatálisis heterogenea,paneles fotovoltaicos debidamente dimensiona- es en este proceso es en el que será destruida lados, las bombas, sensores, el sistema de control materia orgánica contenida en el agua, incluyen-depende de este sistema. El proceso iniciará con do bacterias, virus y contaminantes emergentes,agua ligeramente contaminada, proveniente de tales como plaguicidas, herbicidas y fármacos. Unfuentes inmediatas, la cual se depositará en un sensor basado en refracción de luz evaluará la ca- 36
lidad del agua y una vez alcanzados los paráme- privados y gubernamentales con el propósito de comercializar esta tecnología y ponerla a dispo-tros para considerar al agua apta para consumo sición del sector rural, quienes, se busca, sea elhumano, el sistema permitirá la salida del valioso sector más beneficiado.recurso hacia un recipiente final para disposición Se agradece al CIO y al CICY por impulsar la in-al usuario. De esta manera el proyecto incorpo-rará desde síntesis, caracterización y soporte de vestigación interinstitucional y multidisciplina-materiales fotocatalíticos, hasta un sistema de ria en proyectos de importancia científica y demonitoreo y control avanzado para llevar a cabo soluciones tecnológicas a problemas regionales yla medición de la calidad del agua, pasando por nacionales a través de la convocatoria de capital semilla CICY- CIO 2016. Se agradece al CONACYTel diseño mecánico y construcción del sistema in- por financiar el proyecto de Problemas Nacio- nales 2015-01-1651: “Diseño y Construcción detegral, dando como resultado un prototipo ade- Potabilizador Integral Solar de Agua para Comu- nidades Rurales”. Así como a los Estudiantes e In-cuado para potabilización de agua, autónomo, vestigadores involucrados en este proyecto.integral y de fácil o nulo mantenimiento. Cabemencionar que al finalizar el proyecto se esperaestablecer vinculación con organismos públicos, Fig. 2 Bosquejo del Potabilizador Solar de Agua 37 NC
ARTÍCULO centros mexicanos de innovación en energía ELDER DE LA ROSA Para el año 2024, la participación de las fuentes no fósiles o renovables en la generación de electricidad deberá ser del 35%, así lo establece la Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Tran- sición Energética (LAERFTE). Para alcanzar esta meta es necesario desarro- llar tecnologías que permitan el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía más importantes del país, que garanticen la seguridad energética y la sustentabilidad ambiental. Actualmente en el país contamos con capacidades para la producción de energía eléctrica aprovechando la geotermia (calor de la tierra), energía solar (luz del sol), bioenergía (biomasa), energía eólica (corrientes de aire) y en menor escala energía del océano (oleaje, mareas, corrientes marinas). Con el propósito de fortalecer estas capacidades, la Secretaría de Energía (SE) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) lanzaron la iniciativa para la formación de los Centros Mexicanos de Innovación en Energía (CEMIE) a través del Fondo de Sustentabilidad Energética (FSE) (http://sustentabili- dad.energia.gob.mx/ ), con el propósito de fortalecer, consolidar y vincular las capacidades científicas y tecnológicas existentes, y la formación de recursos humanos especializados en las áreas descritas. 38
Los CEMIE son consorcios o centros virtuales, ya uso y aprovechamiento de las energías renovablesque no tienen una sede o espacio físico determina-do, que agrupan centros de investigación públicos y contribuir a la mejora del marco legal y normati-y privados, instituciones de educación superior, vo para este tipo de fuentes de energía. En 2014 se conformaron los Centros Mexi-empresas y entidades gubernamentales que con- canos de Innovación en energía geotérmica (CE- MIE-Geo), el de Energía solar (CEMIE-Solar) y eljuntan y alinean las capacidades nacionales exis- de energía eólica (CEMIE-Eólico), mientras que en 2015 se conformaron los de Bioenergía (CE-tentes. Agrupan los mejores y más especializados MIE-Bio) y el de energía del océano (CEMIE-Ocea-departamentos para trabajar en conjunto investi- no). Estos cinco consorcios representan la mayorgación aplicada, desarrollo tecnológico y servicios inversión en investigación, desarrollo e innova-en el área de energías renovables. Tienen la función ción (I+D+i) en materia de energías renovables ende la planeación de mediano y largo plazo para el México. En total, estos centros conjuntan a más deaprovechamiento de las energías renovables, el de-sarrollo de un portafolio de proyectos y el desarro- 100 instituciones de educación superior, centrosllo de acciones estratégicas que generen valor parael sector energético del país. Entre estas acciones de investigación, empresas y entidades guber-se encuentran, la formación de recursos humanos namentales y expertos en distintas ramas de lasespecializados, el fortalecimiento a la infraestruc- energías renovables, coordinados cada uno portura de investigación científica y tecnológica, la me- un Grupo Directivo propio y diversos Comités dedición y difusión del potencial de las energías re- evaluación, monitoreo y seguimiento, tanto técni-novables en el país, difundir información sobre el co como administrativo. 39 NC
ARTÍCULO CEMIE INSTITUCIÓN LÍDER Recursos asignados por el FSECEMIE-Geo Centro de Investigación y de $ 958,573,485.84 M.N. Educación Superior de Ensenada (CICESE)CEMIE-Solar Instituto de Energías Renovables $ 452,893,843.97 M.N. (IER-UNAM)CEMIE-Eólico Instituto de Investigaciones $ 216,309,776.72 M.N. Eléctricas (IIE)CEMIE-Bio Instituto Potosino de Investigación $ 702,638,766.00 M.N. Científica y Tecnológica (IPICYT)CEMIE-Oceánico Instituto de Ingeniería de la UNAM $ 348,000,000.00 TOTAL $ 2 678,415,872.53 40
CEMIE-Solar de películas delgadas y prototipo de celdas sola- res, P28) es liderado por el Grupo de NanofotónicaEl CEMIE-Solar agrupa a instituciones y empre- y Materiales Avanzados (GNAFOMA) del CIO, quie-sas de todo el país para generar sinergias a favor nes a la fecha han obtenido eficiencias de conver-del aprovechamiento de la energía solar. Es coor- sión del 7.5 % en celdas a base de puntos cuánticosdinado por el Instituto de Energías Renovables y 18.5% en celdas solares a base de perovskitas. En otro de los proyectos apoyados (Desarrollo y(IER-UNAM) y agrupa a 47 instituciones de inves- manufactura de módulos de celdas solares de TiO2 sensibilizadas con colorantes y puntos cuánticos, ytigación y/o educación superior y 10 empresas. El Celdas solares orgánicas, P27) participan dos gru-inicio formal de actividades fue el 26 de marzo del pos de investigación, uno de ellos trabajando en2014 con un monto aprobado de 452.89 millones celdas solares orgánicas (Grupo de propiedadesde pesos, más una inversión concurrente esperada Ópticas de la materia, GPOM), quienes a la fechade al menos 9.817 millones de pesos para cuatro han obtenido eficiencias de conversión del 8.5%, y otro en celdas solares sensibilizadas con pun-años distribuida en 8 etapas semestrales. Entre los to cuánticos (GNAFOMA). Por la participación deobjetivos del Centro destacan la formación de capi- ambos grupos se recibirán apoyos mayores a lostal humano altamente especializado, el desarrollo $ 13.00 millones de pesos a lo largo de los cuatrode celdas solares fotovoltaicas para la generaciónde energía eléctrica, el desarrollo de concentrado- años de duración del proyecto. La participaciónres solares para el aprovechamiento de la energía del CIO en este consorcio permitirá consolidarsolar como calor para procesos industriales y/opara la producción de energía eléctrica, la genera- esta área de investigación que consideramos es-ción de conocimiento que le de liderazgo al País en tratégica para nuestra institución. Para saber mas:esta área tecnológica, la promoción del uso estra- NOTICIO No 4 2015xxxxxxx, www.cemiesol.mxtégico de la tecnología solar y el aprovechamientosocial de este recurso energético, entre otros.El CEMIE-Solar apoya a 22 proyectos, uno de loscuales (Nanotecnología aplicada en el desarrollo 41 NC
ARTÍCULOCEMIE-Eólico dos concurrentes por $ 134.58 millones de pesos. Los proyectos están enfocados a aerogenerado-El CEMIE-Eólico esta liderado por el Instituto deInvestigaciones Eléctricas que tiene más de 35 res de pequeña y mediana potencia e incluyen laaños de investigación en el tema. Es un consorcio construcción de equipos, evaluación, seguridadformado por un total de 32 instituciones partici- y confiabilidad, inteligencia artificial aplicada alpantes, 6 son centros públicos de investigación, mercado y formación de recursos humanos. La mi-14 son instituciones de educación superior, un sión de este consorcio es contar con conocimiento unificado en materia de energía eólica y generarcentro de investigación extranjero, 10 empresas sinergias que permitan orientar las actividades deprivadas y una dependencia del gobierno estatal. innovación, investigación y desarrollo tecnológicoSe encuentra en operación desde febrero de 2014 a fin de fortalecer la industria eólica del país.cuando se firmó el convenio de asignación de re- Para saber más:cursos por un monto de $ 216.309 millones de pe- http://www.cemieeolico.org.mxsos para apoyar la ejecución de 13 proyectos estra- http://www.amdee.orgtégicos liderados por siete instituciones miembrosdel consorcio con la aportación adicional de fon- 42
CEMIE-Geo última generación, con lo que se fortalece las ca-El CEMIE-Geo esta liderado por CICESE y cuenta pacidades de investigación y desarrollo de nuevascon 22 instituciones participantes de los cuales tecnologías en esta área de conocimiento. Nuestro11 son empresas públicas y privadas. Este con- país ocupa el quinto lugar a nivel mundial en la ex-sorcio concentra la mayor experiencia geotérmica plotación de la energía geotérmica. La capacidaddel país. Su misión es desarrollar conocimiento instalada es de 1017 MW de los cuales operan 869de frontera en esta área, logrando sinergias que MW con lo que se genera el 1.5% de la electricidad producida en el país. Se espera que para el 2020permitan orientar las actividades de innovación, nuestra capacidad aumente a 1395 MW, lo equiva- le a un incremento del 37%. Las zonas más impor-investigación científica y desarrollo tecnológico,así como promover la formación de recursos hu- tantes para la producción de electricidad aprove-manos, con el fin de contribuir a la generación de chando la energía geotérmica son Cerro Prieto en Baja California Norte, Los Azufres en Michoacan,valor económico y al fortalecimiento de la indus- Los Humeros en Puebla y Tres Virgenes en Bajatria geotérmica del país. Se apoyan un total de 30 California Norte. Para saber más:proyectos, 4 de ellos enfocados a la evaluación del www.cemiegeo.orgrecurso geotérmico del país, 9 enfocados en el de-sarrollo de técnicas de exploración, 12 enfocados http://www.irena.org/DocumentDownloads/Pu-al desarrollo de tecnologías para la explotación y 5proyectos para el uso directo de calor geotérmico. blications/IRENA_REmap_Mexico_report_2015.pdfSe han establecido 7 laboratorios con unidades endiferentes partes del país y con equipamiento de 43 NC
ARTÍCULOCEMIE-Bio e innovación que permitan el aprovechamiento deEl CEMIE-Bio recibió apoyo económico por un la biomasa para la generación de biocombustiblesmonto total de $ 702, 638,766.00 MN a través del y contribuyan a la transición energética de MéxicoFSE, además de $ 681,181,041 MN proveniente de hacia un mayor uso de las energías renovables. En particular, el clúster de biocombustibles gaseososaportaciones concurrentes para una inversión to- agrupa a 12 instituciones de educación superior y centros públicos de investigación, y 5 empresastal mayor a $ 1,380 millones de pesos. Este consor- del sector privado. Se espera que al término delcio inicio operaciones en 2016 y el financiamiento proyecto se desarrollen las tecnologías necesarias para que el 5% de la energía eléctrica generada ase distribuye a lo largo de cuatro años. Esta forma-do por cinco clústers, cada uno de ellos esta enfo- partir de metano e hidrogeno provenga de resi- duos orgánicos. Este clúster más el de bioturbosi-cado al aprovechamiento de materia orgánica parala obtención de combustibles. Los cinco clústers na, los dos liderados por IPICyT, son lo que recibenson: 1) biocombustibles sólidos, 2) bioalcoholes,3) biodisel, 4) biogás, y 5) bioturbosina. Agrupa la mayor cantidad de fondos concurrentes. El de bioturbusina recibe del FSE poco más de $ 380 mi-a 34 universidades y centros de investigación, 6universidades del extranjero y 22 empresas. Las llones de pesos y de fondos concurrentes más deinstituciones líderes son: Instituto de Investiga- 600 millones de pesos. Este es el clúster más am-ciones en Ecosistemas y Sustentabilidad (UNAM),CINVESTAV unidad Guadalajara, Centro de Inves- plio y se espera el desarrollo de biocombustiblestigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del para la aviación. Involucra a 17 instituciones en-Estado de Jalisco (CIATEJ), Instituto Potosino de tre ellas Aeroméxico, ASA, Boeing y PEMEX, nueveInvestigación Científica y Tecnológica (IPICyT) en centros públicos de investigación, entre otros.los dos últimos, respectivamente. Para saber más: Cada clúster tiene su propio plan de traba-jo con líneas de investigación pertinentes que les http://misaaf.com/es/cemie-bio/permita cumplir con el objetivo general del con- http://proyectofse.mx/2016/02/03/cemie-bio-los-sorcio que es el desarrollo de nuevas tecnologías frutos-la-biomasa/ 44
CEMIE-Oceano cipantes de este consorcio están distribuidos en todo el país y tienen como fin aprovechar los másEl CEMIE-Oceano entró en operaciones a partir del de 11 000 km de litoral, que lo sitúa el segundo2016 y esta liderado por el Instituto de Ingeniería en américa solo por debajo de Canadá. El potencial energético del océano es enorme, como ejemplode la UNAM. Este consorcio tiene como misión la podemos citar que el potencial energético a nivelgeneración de tecnologías que permitan el apro- mundial de la energía obtenida por las olas es devechamiento de los recursos energéticos oceáni- 2 TW considerando que una ola de 1 m de alturacos, que aporten a la demanda energética del país. contiene en promedio de 20-30 kW. Para saber más:Agrupa a mas de treinta instituciones de educa-ción superior y centros públicos de investigación http://proyectofse.mx/2016/04/06/cemie-oceano-además de cuatro empresas privadas. Las activi- y-la-energia-del-mar/dades de este consorcio se agrupan en cuatro ejes http://cemieoceano.mx/index.htmltemáticos: energía por gradiente térmico, energíapor gradiente salino, energía de oleaje, y energíapor corrientes y mareomotriz. Los socios parti- 45 NC
ARTÍCULOCeldasfotovoltaicasorgánicasJOSÉ LUIS MALDONADOResumenDebido a la reducción de las reservas de petróleo, la búsqueda de fuentes al-ternas de energía, que sean renovables, económicas y limpias es de gran im-portancia mundial. Dentro de estas energías alternas están las celdas solares(o fotovoltaicas); las basadas en materiales inorgánicos han mostrado un grandesarrollo, sin embargo el alto costo aún de producción ha imposibilitado suuso masivo. Por otro lado, el empleo de materiales orgánicos, aquellos quecontienen átomos de carbono en sus estructuras, es una alternativa actual-mente considerada por diversos grupos de investigación y compañías. Los re-tos principales para las celdas orgánicas son el incremento de la eficiencia deconversión de energía solar en eléctrica, la reducción en sus costos de fabrica-ción y tener un mayor tiempo de vida.Antecedentes, estado del arte y perspectivasAlgunas fuentes alternas de energía son la eólica (viento), la hidroeléctrica y lasolar. El Plan Nacional de Desarrollo (México) contempla seriamente el desa-rrollo de energías alternas y particularmente de la fotovoltaica. El método másfamiliar usa celdas solares basadas en silicio donde la transformación directade la luz del sol en electricidad se realiza a través del efecto fotovoltaico (efectoPV por sus siglas en inglés). Esta industria inició en 1953 cuando científicosde los laboratorios Bell desarrollaron una celda que convertía 5 % de la ener-gía del Sol en 5 mW de potencia eléctrica. Las celdas han sido optimizadas y 46
actualmente pueden operar con eficiencias de con- OPVs se absorbe luz y se genera electricidad. Lasversión eléctrica mayores al 20 % y con un tiempo celdas OPVs presentan actualmente una eficienciade vida de 20 años. La aplicación de esta tecnolo- de alrededor de 13 % (a nivel laboratorio) y ungía la encontramos en, por ejemplo, una calculado-ra, en la alimentación de teléfonos de emergencia tiempo de vida de semanas a meses, aproximán- dose cada vez más a años. También es muy reco-en las carreteras, en lámparas decorativas de jar- mendable el tener acumuladores eléctricos para eldín, etc. almacenaje de esta energía eléctrica foto-genera- Una alternativa a la tecnología inorgánica da. Por ejemplo, las pequeñas lamparillas de deco-es el uso de semiconductores orgánicos, inventa-dos en la década de los 70´s. Actualmente se ha ración en jardines no se encienden directamentedemostrado el uso de ellos en diversos disposi- con la conversión fotovoltaica sino que durante el día esta energía eléctrica está siendo almacenadativos, como los diodos emisores de luz orgánicos en una pequeña batería recargable. Bastaría teneru OLEDs. En los últimos 20 años se han dedicado una celda solar orgánica con una relativa baja efi- ciencia de conversión, por ejemplo, 5 %, y un buengrandes esfuerzos en el desarrollo de los OLEDs sistema de almacenaje para que esta conversión(ya comercializados) los cuales tienen aplicacio- fotovoltaica de energía eléctrica pudiera ser de utilidad para ciertos usos. Otra dificultad que senes en pantallas (displays) e incluso en ilumina- observa en la producción de celdas inorgánicas,ción. La maduración de los OLEDs ha impulsado aotras tecnologías basadas en materiales orgánicos. en particular con silicio cristalino, es su rigidez,Un ejemplo es precisamente una celda solar or- la nula transparencia óptica y su gran peso. Por elgánica o celda OPV (Organic Photovoltaics). Es de contrario, las celdas OPVs van a poder ser ligeras,interés mencionar que en los OLEDs se aplica elec- transparentes y flexibles, lo anterior posibilitarátricidad y se genera luz, mientras que en las celdas 47 NC
ARTÍCULOque puedan usarse en ropa y mochilas, carpas para actualmente también realiza investigaciones enfiestas, en ventanas de edificios, etc.; ver Fig. 1. el campo de las celdas solares de perovskitas (cel-GPOM-CIO, colaboradores y financiamientoEl GPOM-CIO es un grupo mexicano, que en con- das orgánico-inorgánicas) obteniendo hasta aho-junto con sus diversos colaboradores, a nivel na- ra una eficiencia de alrededor de 13 %. Con estascional se ha consolidado en el área de la fotónicay opto-electrónica orgánicas. Es líder nacional en celdas orgánicas ya se han fabricado paneles queel desarrollo de celdas OPVs cuyas eficiencias deconversión energética son superiores al 8.3 %; alimentan pequeños LEDs y smartphones como lo ilustra la Fig. 2. El GPOM-CIO agradece el sopor- te económico de los Proyectos CONACyT-SENER 153094, CeMie-Sol/27-207450, 245754 y CONA- CyT 270878, México. a) b)Figura 1. a) Prototipo de mochila desarrollado por la compa- Figura 2. a) Prototipo de panel solar basado en celdasñía SOLARMER donde están integradas celdas OPVs para dar OPVs (orgánicas y flexibles), imagen tomada de He-LioN. b) Pro-energía a productos personales (celular, cargadores varios, totipo de panel solar orgánico desarrollado en el GPOM-CIO-CO-pequeñas lámparas, etc.). A la derecha se observan celdas OPVs NACYT.transparentes y de colores (para cuidados de estética y gustosdel cliente) para su posible uso en, por ejemplo, ventanas de edi-ficios y casas; imágenes de www.solarmer.com. b) Potencialesusos de celdas solares orgánicas flexibles y transparentes (cel-das OPVs); imágenes tomadas de www.konarka.com. 48
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