Avís important
La guia docent és provisional.
La versió en PDF de la guia docent pot tardar uns dies en estar disponible al DDD.
Materials Sostenibles per a Energia
Codi: 45741Crèdits: 6
| Titulació | Tipus | Curs |
|---|---|---|
| Nanociència Aplicada: de Materials a Dispositius / Applied Nanoscience: From Materials to Devices | OP | 1 |
Professor/a de contacte
- Nom :
- Eva Maria Pellicer Vilà
- Correu electrònic :
- eva.pellicer@uab.cat
Equip docent
- Aitor Lopeandia Fernandez
Equip docent (extern a la UAB)
- Alexandre Ponrouch
- Mariano Campoy
Idiomes dels grups
Podeu consultar aquesta informació al final del document.
Prerequisits
No hi ha prerequisits previs, però es recomana tenir nocions prèvies de física de semiconductors i electroquímica.
Objectius
Aquesta assignatura té com a objectiu proporcionar a l'estudiantat una comprensió sòlida dels principis fonamentals que sustenten l'ús dels nanomaterials en les tecnologies de conversió, captació i emmagatzematge d'energia. Així mateix, s'analitzarà la relació entre les propietats físiques i fisicoquímiques dels nanomaterials i el seu comportament en dispositius energètics avançats, amb especial èmfasi en la millora de l'eficiència, la sostenibilitat i la innovació tecnològica.
Resultats d'aprenentatge
- CA22 (Avaluar la viabilitat i eficiència dels nanomaterials proposats per aconseguir una generació d’energia més sostenible.) Avaluar la viabilitat i eficiència dels nanomaterials proposats per aconseguir una generació d’energia més sostenible.
- CA23 (Proposar nanomaterials amb propietats òptimes per usar-los en dispositius d'emmagatzematge, generació i recuperació d'energia.) Proposar nanomaterials amb propietats òptimes per usar-los en dispositius d'emmagatzematge, generació i recuperació d'energia.
- KA21 (Identificar la importància dels nanomaterials en la millora de l’eficiència en relació amb les tecnologies de recuperació i emmagatzematge d’energia.) Identificar la importància dels nanomaterials en la millora de l’eficiència en relació amb les tecnologies de recuperació i emmagatzematge d’energia.
- KA22 (Descriure la millora d’eficiència dels dispositius que fan servir nanomaterials en la conversió i l’emmagatzematge de l’energia.) Descriure la millora d’eficiència dels dispositius que fan servir nanomaterials en la conversió i l’emmagatzematge de l’energia.
- KA23 (Definir les principals propietats dels nanomaterials usats com a materials per a l’energia.) Definir les principals propietats dels nanomaterials usats com a materials per a l’energia.
- SA30 (Avaluar la idoneïtat i l’adequació dels nanomaterials per formar part de dispositius en sistemes de recuperació i/o emmagatzematge d'energia.) Avaluar la idoneïtat i l’adequació dels nanomaterials per formar part de dispositius en sistemes de recuperació i/o emmagatzematge d'energia.
- SA31 (Relacionar les propietats dels materials amb el seu ús en dispositius més eficients.) Relacionar les propietats dels materials amb el seu ús en dispositius més eficients.
Continguts
PART 1: Fotovoltaica
• Propietats òptiques dels sòlids. Absorció de la llum en semiconductors. Característiques de la llum solar.
• Efecte fotovoltaic i cèl·lules solars: conceptes bàsics. Circuit equivalent. Estructura del dispositiu.
• Eficiència màxima teòrica. Termodinàmica d’una cèl·lula solar. Balanç detallat. Límit de Shockley-Queisser. Càlcul d’energia.
• Generacions de cèl·lules solars. 1a generació: cèl·lules solars de silici; 2a generació basada en semiconductors inorgànics de pel·lícula prima (CIGS, CdTe, III-V); 3a generació: fotovoltaica emergent (cèl·lules solars sensibilitzades amb colorants, cèl·lules solars híbrides de perovskita, cèl·lules solars orgàniques, cèl·lules solars basades en punts quàntics).
• Nanostructures per a la millora del rendiment fotovoltaic.
• Sostenibilitat en fotovoltaica. Abundància de materials. Pressupost tèrmic. Anàlisi del cicle de vida.
• Fotovoltaica per a diferents aplicacions: plantes solars, espai, entorn urbà, interior, agrovoltaica.
PART 2: Bateries i supercondensadors
• Electroquímica bàsica (Electrochemistry 101).
• Bateries i supercondensadors: conceptes bàsics i principis. Principals figures de mèrit (densitat d’energia, densitat de potència, vida en cicles…).
• Bateries d’ió liti: evolució dels materials i del disseny de cel·les darrere del seu èxit comercial.
• Més enllà de l’ió liti: per què calen noves tecnologies de bateries i què vindrà després.
• Electrolits orgànics: del disseny molecular al rendiment de la bateria (potència, vida en cicles i seguretat).
• Caracterització avançada de bateries: tècniques operando i amb sincrotró per entendre materials i mecanismes.
PART 3: Producció, emmagatzematge i conversió d’hidrogen
• Tecnologies de producció d’hidrogen: electròlisi de l’aigua, divisió fotoelectroquímica de l’aigua (PEC) i generació fotocatalítica d’hidrogen.
• Tecnologies d’emmagatzematge d’hidrogen (gas comprimit, hidurs metàl·lics, materials porosos, …).
• Nanomaterials per a la producció i emmagatzematge d’hidrogen: fotocatalitzadors semiconductors, fotoelèctrodes, electrocatalitzadors i materials avançats d’emmagatzematge d’hidrogen.
• Principis de funcionament de les piles de combustible: piles de membrana d’intercanvi protònic (PEMFC), piles d’òxid sòlid (SOFC), piles alcalines (AFC) i tecnologies relacionades.
• Components clau de les piles de combustible: membranes d’intercanvi protònic, electrocatalitzadors i altres materials funcionals.
PART 4: Recuperació d'energia tèrmica
• Fonaments de la termoelectricitat: efectes Seebeck i Peltier, relacions de Thomson, origen termodinàmic del transport termoelèctric.
• Paràmetres de transport termoelèctric i figura de mèrit ZT: conductivitat elèctrica i tèrmica, coeficient de Seebeck, factor de potència, eficiència en relació amb el límit de Carnot.
• Efectes a nanoescala sobre el rendiment termoelèctric: confinament quàntic, concepte de phonon-glass electron-crystal, dispersió de fonons a les interfícies, superxarxes i nanocompostos.
• Materials termoelèctrics: des dels materials massissos (Bi₂Te₃, PbTe, SiGe) fins als materials nanoestructurats (skutterudites, aliatges half-Heusler, òxids i materials termoelèctrics orgànics).
• Dispositius i sistemes termoelèctrics: arquitectures de generadors termoelèctrics (TEG) i refrigeradors Peltier, disseny de mòduls, caracterització a macroescala i nanoescala.
• Aplicacions i sostenibilitat: recuperació de calor residual, generadors termoelèctrics de radioisòtops per a aplicacions espacials, refrigeració de microelectrònica, captació d'energia per a dispositius IoT i wearables, criticitat de les matèries primeres.
Activitats formatives i Metodologia
| Títol | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|
| Tutories | 3 | 0,12 | CA22, KA21, KA22, KA23, SA31 |
| Aprenentatge autònom | 78 | 3,12 | CA22, CA23, KA21, KA22, KA23, SA30, SA31 |
| Classes teòriques i de resolució de problemes | 36 | 1,44 | CA22, CA23, KA21, KA22, KA23, SA30, SA31 |
| Preparació de la presentació d'un article científic | 25 | 1 | CA22, KA21, KA22, KA23, SA30, SA31 |
La metodologia de l’assignatura combina activitats d’aprenentatge autònom, dirigit i supervisat per donar suport a l’adquisició progressiva de coneixements i competències.
L’aprenentatge autònom es basa en l’estudi independent de l’estudiant i la preparació dels continguts, cosa que permet consolidar els conceptes teòrics i aprofundir en els materials del curs al seu propi ritme.
Les activitats dirigides consisteixen en classes teòriques i sessions de resolució de problemes, en què s’introdueixen i s’apliquen els principals conceptes mitjançant exercicis estructurats sota la supervisió del professorat.
A més, les activitats supervisades se centren en la preparació de la presentació d’un article científic, durant la qual l’estudiant desenvolupa la seva capacitat d’analitzar críticament articles de recerca i de comunicar contingut científic de manera efectiva.
Aquest procés es complementa amb tutories, que proporcionen orientació individualitzada, retroacció i resolució de dubtes al llarg del curs.
Avaluació
Activitats d'avaluació continuada
| Títol | Pes | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|---|
| Presentació d'un article científic | 30 | 1 | 0,04 | KA21, KA22, KA23, SA31 |
| Examen escrit | 50% | 4 | 0,16 | CA22, CA23, KA21, KA22, KA23, SA30, SA31 |
| Resolució de problemes i qüestions a l'aula | 20% | 3 | 0,12 | CA22, CA23, KA21, KA22, KA23, SA30, SA31 |
La nota final es determinarà de la manera següent:
- 50%: Examen final escrit que cobreix els continguts del curs.
- 30%: Presentació d’un article científic: els estudiants analitzaran críticament un article de recerca i presentaran el seu context científic, la metodologia, els principals resultats i la seva rellevància a la classe i al professorat.
- 20%: Resolució de problemes i exercicis a classe (un total de quatre), amb cada una de les quatre activitats contribuint amb un 5% a la nota final.
Per tal de superar l'assignatura caldrà tenir una nota global igual o superior a 5,0. Quan no es superi l'avaluació, es tindrà dret a una prova escrita de recuperació sobre tot el temari.
En aquesta assignatura, no es permet l'ús de tecnologies d'Intel·ligència Artificial (IA). Qualsevol activitat que inclogui fragments generats amb IA serà considerat una falta d'honestedat acadèmica i pot comportar una penalització parcial o total en la nota de l'activitat, o sancions majors en casos de gravetat.
Bibliografia
- T. Markvart, L. Castañer. Solar cells: materials, manufacture and operation. Elsevier Science, 2004. https://bibcercador.uab.cat/permalink/34CSUC_UAB/1fbc57r/alma991010913978706709
- C. Lefrou, P. Fabry, J.-C. Poignet. Electrochemistry: The Basics, With Examples, Springer, 2012. https://bibcercador.uab.cat/permalink/34CSUC_UAB/1fbc57r/alma991010406802306709
- R. Boddula (ed.), Rechargeable batteries: history, progress, and applications, Wiley, 2020. https://bibcercador.uab.cat/permalink/34CSUC_UAB/1fbc57r/alma991010350953106709
- D. Stolten, B. Emonts. Hydrogen Science and Engineering : Materials, Processes, Systems and Technology, Wiley, 2016.
- A. L. Dicks, D. A. J. Rand. Fuel Cell Systems Explained, Wiley, 2018. https://bibcercador.uab.cat/permalink/34CSUC_UAB/1fbc57r/alma991011190852806709
- D.M. Rowe (ed.), Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano, CRC Press, 2006.
- G. Chen. Nanoscale energy transport and conversion: a parallel treatment of electrons, molecules, phonons, and photons, Oxford University Press, 2005. https://bibcercador.uab.cat/permalink/34CSUC_UAB/1fbc57r/alma991002043849706709
Programari
No és necessari cap programari especial.
Grups i idiomes de l'assignatura
La informació proporcionada és provisional fins al 30 de novembre. A partir d'aquesta data, podreu consultar l'idioma de cada grup a través d'aquest enllaç. Per accedir a la informació, caldrà introduir el CODI de l'assignatura
| Tipus de docència | Grup | Idioma | Semestre | Torn |
|---|---|---|---|---|
| (TEm) Teoria (màster) | 1 | Anglès | primer quadrimestre | matí-mixt |