Proyectos de Investigación

AdFUNC es un proyecto muy interdisciplinar que tiene como principal objetivo conseguir un progreso significativo en dos temáticas en la frontera de la Ciencia de Materiales: el desarrollo de sensores con capacidad multirespuesta y de sistemas de energía activados por luz. Los denominadores comunes de AdFUNC son el diseño inteligente de arquitecturas complejas en la nanoescala y el desarrollo de demostradores a escala de laboratorio.

Estamos convencidos de que el proyecto nos abre una ventana de oportunidad para realizar investigaciones que podemos clasificar en cuatro áreas: i) Aplicaciones y dispositivos: Desarrollaremos los recientemente descubiertos efectos tribotrónicos y piezotrónicos para fabricar dispositivos sensores autoalimentados. Con estos materiales, en combinación con varias tecnologías avanzadas de sensado fotónico y espectro-electroquímico, expandiremos la eficiencia, multiactuación y multirespuesta de sistemas adaptativos optofluídicos. Estos sistemas, manteniendo una arquitectura común, presentarán una respuesta diferenciada frente a escenarios reales diversos y complejos, que se simularán en el proyecto (alteraciones medioambientales como vertidos, accidentes, amenazas químicas o de explosivos). También se plantean dispositivos captadores de energía solar en condiciones de baja iluminación, captadores de energía mecánica y dispositivos que sean capaces de acoplar luz y movimiento a la activación de procesos de descomposición electroquímica del agua. Ii) Nanomateriales: Adfunc es un proyecto donde concurren un equipo de especialistas en el desarrollo de nanoestructuras soportadas por distintas tecnologías. Esto nos permitirá, por primera vez, implementar un conjunto de nanoarquitecturas 3D (nanohilos, nanotubos, core@shell) y el diseño de materiales con estructuras nanoporosas controladas (capas esculturales, nanocanales, porosidad asociada en varias escalas, multicapas ópticas porosas, desarrollos pioneros de redes metaloorgánicas (MOFs) en estructuras fotónicas porosas) directamente a la mejora de los componentes activos de los dispositivos del proyecto. Iii) Estrategia. El proyecto nos da la oportunidad de trabajar simultáneamente en rutas sintéticas nuevas, caracterización avanzada de materiales y propiedades, integración de materiales en dispositivos, y esto a la vez que se tiene información de modelado y simulación. Iv) Perspectiva de escalabilidad: En todos los casos se utilizarán métodos y técnicas compatibles con procesos industriales establecidos, como el plasma y el vacío típicos de la industria optoelectrónica y microelectrónica, y procesos de síntesis en disolución. Otro aspecto interesante, es la posibilidad de introducir plásticos y polímeros para fabricar dispositivos, lo que puede permitir revalorizar residuos de la industria del plástico, en un esfuerzo de economía circular en el que investigadores del proyecto están comprometidos.

AdFunc sólo es posible gracias al esfuerzo conjunto de un gran número de investigadores, en su mayoría del ICMS-CSIC y la Universidad Pablo de Olavide, que se completa con un grupo de investigadores de otros centros y colaboradores internacionales con experiencia e interés complementarios. Es precisamente la coordinación de un número tan elevado de especialistas (25 doctores en los dos subproyectos) lo que nos permite plantear el desarrollo de un conjunto de actividades tan completo y ambicioso.  

Las celdas solares –dispositivos que transforman directamente la luz solar en electricidad- son de vital interés para el futuro sostenible del planeta. Durante los últimos años y conscientes de este hecho, la comunidad científica ha realizado un gran esfuerzo por mejorar la eficiencia de estos dispositivos. Un ejemplo particular de celda solar que contiene una perovskita de haluro organometálico como absorbedor de luz han centrado la atención de la comunidad científica durante la última década debido, sobre todo, a su alta eficiencia y bajo coste. Esta tecnología de celda solar supone una alternativa prometedora a las celdas actuales (basadas en Si y en calcogenuros), aunque se enfrentan a un reto científico y tecnológico que no ha sido resuelto en 10 años desde su descubrimiento: para que la realización final y comercial de las celdas de perovskita sea posible, necesitan alcanzar una mayor estabilidad, durabilidad y reproducibilidad. El principal problema radica en la alta sensibilidad que presentan estas perovskitas al oxígeno y humedad ambiental, que producen una rápida degradación del comportamiento de la celda en un tiempo extremadamente corto, haciendo inviable su comercialización.

DuraSol persigue abordar este gran reto científico y tecnológico mediante la fabricación de componentes de la celda mediante tecnología de vacío y plasma. Estas metodologías son escalables industrialmente y presentan grandes ventajas con respecto a las metodologías en disolución (las más usadas), entre las que destacan: su alta versatilidad, control de composición y microestructura, bajo coste, que son respetuosas con el medio ambiente ya que no precisan disolventes, no producen emisiones contaminantes y son compatibles con la tecnología actual de semiconductores.

El objetivo principal de DuraSol es la fabricación de celdas solares de perovskita “a prueba de agua” mediante integración de componentes fabricados por metodologías de vacío y plasma en forma de películas delgadas y nanoestructuras, que actúan como sellantes hidrofóbicos. La viabilidad de DuraSol se basa en resultados recientes que demuestran que la fabricación asistida por plasma de distintos componentes de la celda solar puede ser una de las vías más prometedoras para aumentar su estabilidad y durabilidad, que es hoy en día el cuello de botella que impide su comercialización. Cabe señalar que no hay ningún ejemplo en la literatura de este enfoque sintético, y se espera que esta oportunidad demuestre las ventajas y la versatilidad de esta metodología innovadora en un campo de muy alto impacto. La investigación propuesta en DuraSol se enmarca dentro de las áreas prioritarias del programa Horizon 2021-2027 de la Unión Europea y responden a varios de los retos propuestos en la presente convocatoria de “Energía segura, eficiente y limpia” (Reto 3) y de “Cambio climático y utilización de recursos y materias primas” (Reto 5).

Las celdas solares (CSs) de tercera generación son dispositivos nanotecnológicos que convierten directamente la luz solar en electricidad y suponen el paradigma de la investigación en energías renovables de cuyo aprovechamiento dependerá el futuro energético del planeta. Recientemente, un ejemplo particular de CSs que contienen una perovskita de haluro organometálico como absorbedor de luz han centrado la atención de la comunidad científica debido, ante todo, a su alta eficiencia y bajo coste. Estas características las convierten en una alternativa prometedora a las celdas actuales (de Si y calcogenuros). Sin embargo, para que la realización final y comercial de las celdas de perovskita sea posible es necesario que alcancen una mayor estabilidad, durabilidad y reproducibilidad. Los avances más importantes alcanzados se han debido a la intensa investigación sobre los elementos que integran esta CS: conductor de electrones, perovskita y conductor de huecos. En concreto, este último elemento ha tenido una importancia crucial en su evolución tras la implementación de los conductores de huecos en estado sólido.

PlasmaCells persigue abordar por primera vez la síntesis de una nueva familia de conductores de huecos por técnicas de vacío y plasma. Estas metodologías son escalables industrialmente y presentan grandes ventajas con respecto a las metodologías en disolución (las más usadas), entre las que destacan: su alta versatilidad, control de composición y microestructura, bajo coste, que son respetuosas con el medio ambiente ya que no precisan disolventes, no producen emisiones contaminantes y son compatibles con la tecnología actual de semiconductores.

El objetivo principal de PlasmaCells es la integración de estos nuevos conductores de huecos procesados por plasma en CSs de perovskita. La importancia del proyecto se basa en resultados recientes obtenidos por el Investigador Principal (IP) que demuestran que la aproximación propuesta puede ser una de las vías más prometedoras para el aumento de la estabilidad, durabilidad y reproducibilidad de estas CSs, que actualmente suponen el cuello de botella que impide su industrialización. Cabe destacar que no existe en la bibliografía ningún ejemplo sobre esta aproximación sintética para el desarrollo de conductores de huecos. Se espera que esta oportunidad permita demostrar las ventajas y versatilidad de esta metodología innovadora en un campo de alto impacto, que se enmarca dentro de las áreas prioritarias RIS3 Andalucía y en el PAIDI 2020 de crecimiento sostenible, eficiencia energética y energías renovables.

PROCEX aborda el Reto social 3 "Energía limpia, eficiente y segura" y pretende abrir camino a una nueva generación de electrolizadores reversibles de alta eficiencia que operan a temperaturas intermedias (sobre 500ºC). Su éxito abriría una vía muy prometedora para nuevos sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica y eólica con características sobresalientes, tales como eficiencias de ida y vuelta (superiores al 75%) o tasas de retorno energético (>10). Estos valores son muy superiores a los que se pueden alcanzar con los mejores sistemas de almacenamiento térmico. Además, el uso de electrolizadores de alta eficiencia encontraría un enorme campo de aplicación en la producción de H2 y en la industria química. Para desarrollar estos sistemas, es necesario superar numerosos retos en el ámbito de los materiales cerámicos: en particular, es necesario desarrollar nuevos electrolitos conductores de protones con baja conductividad electrónica.

El objetivo principal del proyecto es identificar, sintetizar y demostrar nuevos materiales cerámicos conductores de protones con bajas pérdidas electrónicas en electrolisis, usando estrategias de dopado en compuestos de circonatos y ceratos de bario. Ponemos énfasis no sólo en mejorar la eficiencia sino también en la durabilidad de estos materiales. El proyecto demostrará el procesado de los electrolitos y su integración en pilas tipo botón a escala laboratorio, y estudiará los principales mecanismos de reacción, desarrollando modelos que permitan predecir su comportamiento a gran escala. Este proyecto parte de resultados publicados muy recientemente en la literatura y pretende superarlos apoyándose en las capacidades y experiencia previa del equipo investigador. En el proyecto ampliaremos el rango de composiciones y dopantes a estudiar y realizaremos un estudio sistemático que nos permita relacionar la composición y procesado con las propiedades y el rendimiento en condiciones de servicio (i.e. la degradación y el envejecimiento. A partir de la información obtenida pretendemos desarrollar y validar nuevos modelos que permitan evaluar la integración de estos sistemas en distintas aplicaciones. La ambición del este proyecto requiere un tratamiento multidisciplinar fruto de la combinación de dos grupos de investigación, uno de Ciencia de Materiales y otro de Ingeniería Energética, que poseen las capacidades e instalaciones necesarias para llevar a buen término el proyecto: síntesis y procesado de materiales, caracterización física, modelado numérico e integración de sistemas de almacenamiento de energía.