Proyectos de Tesis: 2025-I
Corina Avelina Vera Gonzales; Anthony Hugo Ramirez Mendoza; Adolfo Caceres Calderon
Objetivo
Desarrollar y caracterizar puntos cuánticos de carbono (CQDs) a partir de cáscara de arroz,evaluando su viabilidad y eficiencia como optimización de celdas fotovoltaicas.
Resumen:
Esta investigación propone sintetizar puntos cuánticos de carbono (CQDs) a partir de cáscara de arroz, un residuo agroindustrial abundante, mediante un método sostenible de exfoliación química con ácidos sulfúrico y nítrico, optimizando parámetros como temperatura, tiempo y agitación. Los CQDs obtenidos se caracterizan estructural y ópticamente (mediante espectroscopía UV-Vis, fluorescencia y microscopía electrónica) para evaluar su potencial como material dopante en películas de EVA, integradas en celdas fotovoltaicas de silicio. El objetivo es demostrar que estos CQDs, al aprovechar propiedades ópticas ajustables y bajo costo, mejoran la eficiencia de conversión energética (medida a través de parámetros como PCE, Isc y Voc), ofreciendo una alternativa ecológica a los materiales convencionales. Este enfoque no solo promueve la valorización de residuos agrícolas, sino que contribuye al desarrollo de tecnologías solares más accesibles y alineadas con la economía circular.
Palabras clave
Puntos cuánticos de carbono (CQDs) Cáscara de arroz Celdas fotovoltaicas Síntesis sostenible Exfoliación química Optimización de eficiencia Propiedades ópticas Caracterización estructural
Problema central
El creciente interés en las fuentes de energía renovables, particularmente en la energía solar, ha llevado a la búsqueda de materiales avanzados que puedan mejorar la eficiencia de las celdas fotovoltaicas. En este contexto, los puntos cuánticos de carbono (CQDs) han emergido como una alternativa prometedora debido a sus propiedades ópticas y eléctricas únicas, que pueden ser ajustadas para maximizar la absorción de luz y la conversión de energía. Sin embargo, la mayoría de los métodos de síntesis de CQDs suelen requerir precursores costosos y complejos, lo que limita su viabilidad comercial y sostenible La cáscara de arroz, un subproducto agroindustrial abundante y generalmente desechado, presenta una oportunidad para la síntesis de CQDs de manera sostenible y económica. Sin embargo, existen desafíos significativos en la conversión de este material en CQDs con propiedades adecuadas para aplicaciones en celdas fotovoltaicas. Es fundamental investigar cómo las condiciones de síntesis, como la temperatura, el tiempo y la técnica utilizada, afectan las propiedades estructurales y ópticas de los CQDs obtenidos a partir de cáscara de arroz. Además, la caracterización de estos CQDs en términos de tamaño, forma, funcionalización superficial y eficiencia fotovoltaica es crucial para evaluar su viabilidad como materiales activos en celdas solares. La falta de estudios previos sobre la utilización de CQDs de cáscara de arroz en aplicaciones fotovoltaicas subraya la necesidad de investigar su potencial y contribuir al desarrollo de tecnologías energéticas más sostenibles y eficientes.
Hipótesis planteada
La utilización de cáscara de arroz como fuente de carbono para la síntesis de puntos cuánticos de carbono(C-dots) mejorará significativamente la eficiencia de las celdas fotovoltaicas, en comparación con materiales convencionales, debido a sus propiedades ópticas superiores y su capacidad para ser funcionalizados, promoviendo así un enfoque sostenible en la generación de energía solar.
Resultados esperados
01 Tesis de Pregrado
Impactos esperados
1. Avance en sostenibilidad ambiental
La investigación propone utilizar cáscara de arroz, un residuo agrícola abundante, como fuente de carbono para sintetizar
puntos cuánticos (CQDs), reduciendo la dependencia de materiales tóxicos como el telururo de cadmio (CdTe) o el
seleniuro de plomo (PbSe), comunes en células solares de capa delgada . Esto mitiga problemas ambientales asociados
a la minería y el procesamiento de silicio, que genera subproductos como el tetracloruro de silicio, altamente
contaminante . Además, al valorizar un desecho agrícola, se alinea con principios de economía circular y química verde .
2. Potencial mejora en eficiencia fotovoltaica
Los CQDs derivados de biomasa podrían optimizar celdas solares gracias a su capacidad de ajustar bandas prohibidas
("tuning"), permitiendo capturar un espectro lumínico más amplio que el silicio tradicional . Esto es crítico para
tecnologías emergentes como las células multiunión o tándem, donde los CQDs podrían actuar como co-
sensibilizadores, aumentando la eficiencia teórica hasta el 65% en condiciones ideales . Además, su flexibilidad y bajo
costo de producción los hacen compatibles con aplicaciones en superficies curvas o dispositivos portátiles .
3. Reducción de costos en energía solar
La síntesis propuesta emplea métodos hidrotermales y precursores naturales, que son más económicos que técnicas
convencionales basadas en metales pesados o silicio de alta pureza . Esto podría abaratar la fabricación de paneles
solares, especialmente en regiones con alta producción de arroz, como Asia o Latinoamérica, donde la cáscara suele
quemarse o desecharse .
4. Innovación en materiales no tóxicos
A diferencia de los puntos cuánticos metálicos (ej.: PbSe), los CQDs de carbono son biocompatibles y no generan riesgos
de toxicidad durante su producción o disposición final . Esto responde a críticas sobre el impacto ambiental de
tecnologías fotovoltaicas actuales, que utilizan cadmio o plomo, sustancias vinculadas a problemas de salud y
contaminación .
5. Impulso a la investigación en nanotecnología aplicada
El proyecto contribuye al campo de la nanotecnología al demostrar que materiales de desecho pueden transformarse en
nanoestructuras funcionales. Esto inspira nuevas líneas de investigación, como el uso de CQDs en sensores, biomedicina
o catálisis, ampliando su impacto más allá de la energía solar . Además, metodologías didácticas para sintetizar CQDs,
como las descritas en estudios educativos, podrían integrarse en programas académicos para fomentar habilidades en
ciencia de materiales .
6. Retos y limitaciones
Aunque prometedora, la tecnología enfrenta desafíos:
Eficiencia comparativa: Los CQDs de biomasa aún tienen rendimientos cuánticos (~18%) inferiores a los puntos cuánticos
inorgánicos (ej.: perovskitas) .
Escalabilidad: La purificación de sílice residual en la cáscara de arroz requiere etapas adicionales, lo que podría encarecer
el proceso a gran escala .
Integración en celdas comerciales: Se necesitan estudios a largo plazo para evaluar la estabilidad de las películas de
EVA/CQDs bajo condiciones reales de radiación y temperatura.