Hybrid materials based on conductive polymers for energy harvesting

Uno de los objetivos de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para el Desarrollo Sostenible 2030 es obtener energía asequible y no contaminante. Por este motivo, se recomiendan encarecidamente las mejoras en la eficiencia energética y las fuentes de energía verde como soluciones óptimas para reducir las emisiones de dióxido de carbono y, por tanto, reducir la huella de carbono de nuestra sociedad. Las emisiones de carbono se han cuadriplicado desde 1950 y actualmente contribuyen en torno al 80 % de las emisiones de gases de efecto invernadero. Como resultado de este cambio, el clima global sufre cambios en las tendencias globales de lluvia y una reducción en los casquetes polares. Con el impacto de los cambios climáticos globales cada vez más severos, los gobiernos están tratando de reducir los niveles de emisión de carbono y lograr un desarrollo sostenible en sus países mediante el uso de fuentes de energía renovables. Aprovechan recursos naturales como la luz solar, la lluvia, el calor geotérmico y las olas para producir energía limpia y sin emisiones de gases de efecto invernadero. Los resultados de generación eléctrica indican que la tendencia es cada vez más sostenible a medida que la apuesta por las energías renovables aumenta anualmente. Sin embargo, las fuentes de energía primaria más consumidas a nivel mundial siguen siendo el petróleo y sus derivados (83,15%), y solo el 5,7% de la energía global consumida proviene de fuentes de energía renovables. Además, el consumo de energía cayó en 2020 en torno a un 4,5% respecto al año anterior debido a la crisis provocada por el Covid-19. Sin embargo, se espera que el consumo de energía aumente en los próximos años según la Agencia Internacional de Energía (AIE). Es de vital importancia que este aumento de la demanda energética por parte de la sociedad vaya de la mano con la mejora de la eficiencia energética para cumplir con los objetivos sostenibles de la ONU. Solo así será posible alcanzar las Emisiones Netas Cero para el Escenario 2050 en el período 2020-2030. Por otro lado, es de vital importancia mejorar la eficiencia energética ya que se estima que el 62% del combustible utilizado para generar energía se pierde en forma de calor. Además, la energía se pierde en forma de calor en las centrales eléctricas durante los procesos de conversión de energía, y solo el 5% de la energía se usa en los hogares. Por lo tanto, encontrar formas de recuperar toda esta energía desperdiciada es imperativo. Parte de esta energía perdida se puede recuperar recolectando energía y convirtiéndola en energía eléctrica. Los tres fenómenos principales que pueden recuperar energía son: piezoelectricidad, que puede convertir el estiramiento mecánico en corriente eléctrica, la triboelectricidad, que puede producir energía eléctrica a través del contacto friccional entre diferentes materiales, y la termoelectricidad, que puede recuperar energía eléctrica de pérdidas de calor. En los últimos años, este último fenómeno se ha convertido en la forma más prometedora de mejorar la eficiencia energética, ya que es una propiedad de los semiconductores que puede convertir un gradiente de temperatura en corriente eléctrica y viceversa. La eficiencia termoeléctrica de un material viene dada por la Figura de Mérito, ZT. Los materiales termoeléctricos más utilizados para aplicaciones comerciales se han desarrollado gracias a los avances significativos en la síntesis de nuevos materiales y estructuras con un rendimiento termoeléctrico mejorado. Se ha buscado mejorar la Figura de Mérito mediante la reducción de la conductividad térmica de la red. Una forma de lograr este objetivo es a través de la llamada estrategia de cristal de electrones de vidrio de fonones, en la que el material debe conducir el calor como el vidrio, pero la electricidad como un cristal. El resultado de esta investigación son materiales como skutteruditas y clatratos. Otra estrategia para mejorar la eficiencia termoeléctrica es mediante la reducción de la conductividad térmica de la red, basada en el uso de materiales con estructuras de baja dimensionalidad. Hicks y Dresselhaus, en 1993, demostraron el uso potencial de los pozos cuánticos para mejorar la Figura de Mérito. Como resultado de este trabajo, materiales como Bi2Te3/Sb2Te3, PbSeTe o SiGe alcanzaron valores de ZT en torno a 2. Sin embargo, estos materiales inorgánicos tienen varios inconvenientes, como el alto costo de producción, la toxicidad de algunos de los elementos utilizados y la escasez de materias primas. Todos estos inconvenientes hacen que los materiales termoeléctricos inorgánicos no sean adecuados desde el punto de vista del desarrollo energético sostenible. Por esta razón, muchos estudios se han centrado en la búsqueda de materiales termoeléctricos eficientes y amigables con el medio ambiente. Uno de los candidatos potenciales para aplicaciones a temperatura ambiente son los semiconductores orgánicos, particularmente los polímeros conductores, debido a su abundancia, bajo costo, flexibilidad, y fácil modificación. Además, los polímeros conductores brindan otros beneficios. Desde un punto de vista medioambiental, los polímeros conductores están compuestos principalmente por carbono, que es un elemento abundante, de bajo coste y no tóxico. Esas propiedades implican que la obtención de materiales termoeléctricos a partir de polímeros conductores es mucho más sostenible que los materiales inorgánicos tradicionales. Desde un punto de vista químico, los polímeros conductores se pueden modificar fácilmente para proporcionar funcionalidades adicionales y, además, las propiedades flexibles son útiles para imprimir áreas grandes. Otra ventaja es que los polímeros conductores suelen tener una conductividad térmica (0,1 – 1 W m-1 K-1) por debajo de la conductividad térmica de metales y semiconductores inorgánicos. Todas esto hace que los polímeros conductores sean unos candidatos ideales para la próxima generación de materiales termoeléctricos porque es posible obtener dispositivos flexibles de bajo costo y gran área para la recolección de energía térmica de bajo grado. Sin embargo, a pesar del aumento significativo en la eficiencia termoeléctrica de los polímeros conductores en la última década, la Figura de Mérito sigue siendo mucho más baja que la ZT de los materiales inorgánicos. Por lo tanto, es necesario encontrar nuevas estrategias para mejorar la eficiencia de los polímeros conductores como: 1) optimización del nivel de dopaje, 2) mejora del ordenamiento de las cadenas poliméricas, 3) obtención de materiales híbridos orgánico-inorgánicos.