Materiales Avanzados para aplicaciones en Energía Solar

Presentación

El grupo de investigación “Materiales avanzados para aplicaciones en energía solar” de la Universidad Carlos III de Madrid se centra en el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para mejorar la eficiencia de las células solares. Su trabajo combina conocimientos de física del estado sólido, nanotecnología y ciencia de materiales con el objetivo de optimizar la conversión de energía solar en electricidad.

Las principales líneas de investigación incluyen el diseño y modelado de dispositivos fotovoltaicos, la síntesis de nanomateriales y capas delgadas, así como la caracterización avanzada de sus propiedades ópticas y eléctricas. El grupo también investiga el uso de materiales luminiscentes y nanoestructuras para aumentar la absorción de luz y mejorar el rendimiento de los dispositivos.

Además, cuenta con equipamiento especializado que permite abarcar todo el proceso científico, desde la simulación teórica hasta la validación experimental. Su actividad se enmarca en proyectos de investigación tanto públicos como en colaboración con empresas, contribuyendo al desarrollo de soluciones energéticas más eficientes y sostenibles.

En conjunto, este grupo desempeña un papel relevante en el avance de la energía solar, aportando innovaciones que buscan reducir costes y aumentar la eficiencia de las tecnologías fotovoltaicas.

El enfoque científico del grupo “Materiales avanzados para aplicaciones en energía solar” de la Universidad Carlos III de Madrid se basa en una metodología multidisciplinar que integra física, ciencia de materiales y nanotecnología para abordar los retos de la energía fotovoltaica.

Su trabajo parte del estudio fundamental de los materiales, analizando sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas con el fin de comprender cómo interactúan con la luz. A partir de este conocimiento, el grupo diseña y sintetiza nuevos materiales, como semiconductores avanzados y nanoestructuras, capaces de mejorar la absorción y conversión de la energía solar.

Paralelamente, desarrollan modelos teóricos y simulaciones que permiten predecir el comportamiento de estos materiales dentro de dispositivos reales. Este enfoque se complementa con la fabricación y caracterización experimental de células solares, lo que posibilita validar los resultados y optimizar su rendimiento. En conjunto, su enfoque científico combina teoría, experimentación y desarrollo tecnológico, permitiendo avanzar hacia dispositivos fotovoltaicos más eficientes, estables y económicamente viables.

Líneas de investigación

• Física del estado sólido
• Integración de materiales fluorescentes en células solares
• Medidas de eficiencia cuántica de dispositivos fotovoltaicos
• Modelado de propiedades ópticas y eléctricas de nanoestructuras y capas delgadas
• Crecimiento mediante sputtering de materiales fluorescentes y fotoactivos
• Síntesis de nanopartículas fluorescentes y fotoactivas
• Microscopía electrónica de transmisión y de barrido
• Microscopía de fuerza atómica en modo tapping y conductivo
• Propiedades eléctricas de capas delgadas
• Diseño y modelado de células solares

1. Análisis y desarrollo de materiales para su integración en células solares basadas en nanohilos III‑V

2. Desarrollo e irradiación de aleaciones de alta entropía, materiales de base cobre y aceros ODS nanoestructurados para reactores de fusión

3. Desarrollo del Programa de actividades de I+D multidisciplinares del Centro de Tecnologías para la Fusión (TechnoFusión)

4. Síntesis y caracterización de nanopartículas de LiNbO3 para aplicaciones cuánticas. (UC3M)

5. Optimization of a novel solar particle receiver by means of hydrothermal technology and artificial intelligence.Proyecto.  (HYDRAISOL-CM-UC3M).

Departamento principal: Física

• Mediavilla Martínez, I., Pura Ruiz, J. L., Hinojosa Chasiquiza, V. G., Galiana Blanco, B., Hrachowina, L., Borgström, M. T., & Jiménez López, J. (2024). Composition, optical resonances, and doping of InP/InGaP nanowires for tandem solar cells: A micro‑Raman analysis. ACS Nano,18(14), 10113–10123. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12973

  Mediavilla, I., Anaya, J., Galiana Blanco, B., Hrachowina, L., Borgström, M. T., & Jimenez, J. (2024). A cathodoluminescence study of InP/InGaP axially heterostructured NWs for tandem solar cells. Nanotechnology, 35(19). hhttps://doi.org/10.1088/1361-6528/ad263d

  Galiana Blanco, B., Navarro de Mesa, A., Hinojosa, M., García, I., Martín Martín, D., Jiménez, J., & García‑Tabarés Valdivieso, E. (2023). Advanced characterization of 1 eV GaInAs inverted metamorphic solar cells. Energies,16(14), 5367. https://doi.org/10.3390/en16145367

  Caño, A., Galiana Blanco, B., Perea, G. B., de Andrés, A., Mariscal Jiménez, A., Gonzalo, J., & Serna, R. (2023). High quality optically active and integrable EuOOH films prepared by pulsed laser deposition. Applied Surface Science, 640, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.158236

  Salas‑Colera, E., Tardío López, M. M., García‑Tabarés Valdivieso, E., Perea Abarca, B., Crespillo, M. L., Muñoz‑Santiuste, J. E., & Galiana Blanco, B. (2023). Development of luminescent Nd‑doped LaNbO compound thin film growth by magnetron sputtering for the improvement of solar cells. Crystals, 13(2), 159. https://doi.org/10.3390/cryst13020159

  Nieto‑Piñero, E., Negrete‑Aragón, S., Muñoz Ochando, I., Galiana Blanco, B., Peláez, R. J., Maté, B., López‑Andrés, S., & Serna, R. (2024). Building nanoplatelet α‑MoO3 films: A high quality crystal anisotropic 2D material for integration. Applied Surface Science, 672, 160871. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160871

1. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM/STEM) - Labmet.uc3m.es: Cuenta con un microscopía electrónica de transmisión Thremo Fisicher Spectra 200, técnica avanzada para obtener imágenes de alta resolución de materiales a nivel atómico o nanométrico; esta herramienta permite analizar directamente la microestructura interna de nanopartículas, nanoestructuras y capas delgadas utilizadas en dispositivos fotovoltaicos y materiales fotoactivos. También puede complementarse con análisis químicos (EDX) para determinar la composición a nivel nanoescala. Por lo general se utiliza para caracterización estructural de materiales semiconductores y nanoestructuras y estudio de defectos, interfaces y fases cristalinas importantes para la eficiencia solar.

   2. Espectroscopía Raman: Son útiles para estudiar vibraciones moleculares, estructuras cristalinas y propiedades de nanoestructuras. El Raman permite obtener “huellas” específicas de materiales (p. ej., fases, tensiones estructurales o presencia de defectos) y es especialmente útil en nanomateriales y en estudios de interacción luz‑materia. Por lo general  se utiliza para caracterización de nanoestructuras fluorescentes y fotoactivas y evaluación de materiales para integración en células solares, donde Raman puede revelar cambios en estructura bajo luz o procesos de síntesis.

   3. Sputtering (Deposición de Películas Finas): El sputtering con dos magnetrones (permitiendo co‑sputtering), es una técnica de deposición física en vacío y se emplea para fabricar capas delgadas fluorescentes o fotoactivas sobre substratos, esenciales en células solares y dispositivos óptoelectrónicos. El sputtering permite controlar composición, espesor y microestructura de las películas.

    4. Laboratorio de Medidas Ópticas: Se cuenta con equipamiento para caracterizar cómo interactúa la luz con los materiales. Esto incluye espectrofotometría (transmisión/reflectancia), mediciones de eficiencia cuántica e instrumentos para evaluar respuesta óptica bajo diferentes condiciones. También contamos con un espectrofotómetro para medir espectros de absorción y reflectancia. Y equipos para medir eficiencia cuántica de dispositivos fotovoltaicos.

    5. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM):  El grupo emplea AFM en modos tapping y conductivo, lo que permite imagen topográfica de superficies a escala nanométrica y medidas de conductividad local, útil para estudiar el transporte de carga en nanoestructuras o capas delgadas. Utilizadas por lo General para la caracterización de rugosidad y morfología superficial y la evaluación de propiedades eléctricas locales en materiales fotoactivos.

   6. Síntesis de Nanopartículas y Materiales Funcionales: El grupo tiene experiencia en síntesis de nanopartículas fluorescentes y fotoactivas, empleando métodos químicos y físicos que permiten obtener materiales con propiedades ópticas y electrónicas controladas. Esto tiene como objetivos la fabricar nanopartículas integrables en células solares para mejorar absorción o transporte de carga y diseñar materiales con emisión luminosa específica (útil para aplicaciones optoelectrónicas).

   7. Medidas Eléctricas y Propiedades de Capas Delgadas: El grupo también tiene equipos y métodos para medir las propiedades eléctricas de capas delgadas, fundamentales para entender el rendimiento de células solares y dispositivos fotoelectrónicos.