Silicon nanowires for energy generation and storage

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de lectura: 08-09-2017En las últimas décadas, el interés hacia los materiales nanoestructurados ha crecido de manera incesante. La gran diversidad de propiedades que presentan tiene aplicaciones en casi todas las áreas del conocimiento. Específicamente, los nanomateriales de silicio han atraído mucha atención debido a la gran abundancia, precio relativamente bajo y gran variedad de aplicaciones del silicio. Entre los materiales nanoestructurados de Si, los nanohilos de silicio (SiNWs) son de particular interés. Entre los numerosos procesos de síntesis de SiNWs, en esta tesis nos hemos centrado en un método relativamente nuevo, llamado "metal assisted chemical etching" (MACE). Este método proporciona una alta calidad SiNWs y una fácil escalabilidad, lo que podría permitir el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. En el presente estudio, se investigó la aplicación de estos SiNWs en dos campos relacionados con la energía: las células solares y las baterías de ion de litio (LIBs). En el ámbito de las células solares, la investigación se centró en la mejora de la absorción de la luz y la recombinación superficial del material. Para alcanzar este fin, se desarrollaron soluciones novedosas como el crecimiento de SiNWs con patrón o el uso de nanotubos de carbono como recubrimiento conductor. La implementación de los SiNWs en LIBs se realizó en forma de tres innovadoras arquitecturas de electrodos. Estas innovaciones comprendían desde la explotación de sinergias entre nanomateriales hasta el crecimiento directo de SiNWs amorfos en el ánodo. Cada una de estas arquitecturas fue estudiada mediante ciclado galvanostático, obteniendo una buena descripción del comportamiento del material y un rendimiento electroquímico extraordinario. Por último, se estudió otra familia de materiales llamados MXenes. Estos materiales 2D muestran propiedades prometedoras que junto con los SiNWs podrían conducir a un material híbrido muy interesante para LIBs.In the past few decades, an increasing interest has been growing towards the nanostructured materials. Their enhanced properties have opened a whole new investigation field with applications in almost every area of knowledge. Specifically, silicon nanomaterials have attracted much attention owing to its abundance, relatively low price and large variety of applications. Among the Si nanostructured materials, one-dimensional silicon nanowires (SiNWs) are of particular interest. There are several SiNWs synthesis processes (bottom-up and top-down approaches), however, most of these synthesis methods either suffer from scalability issues or compromise the quality of SiNWs. Therefore, new methods to develop high-quality SiNWs in a scalable manner is of great importance and highly necessary. In this research, a new synthesis procedure based on the metal assisted chemical etching approach (MACE) has been used. This method provides the quality and scalability necessary for industrial level applications. The present work, has been focused on the synthesis of SiNWs and the study of their performances in solar cells and LIBs. Our studies on solar cells aimed at improving the light absorption and reducing the surface recombination. These goals were successfully obtained using patterned SiNWs, along with other nanomaterials, such as carbon nanotubes. The implementation of SiNWs in the LIBs has been carried out in three innovative electrode architectures. The introduced innovations ranged from the exploitation of synergies between nanomaterials, to the direct growth of large amounts of amorphous SiNWs on the current collector. Each of these architectures has been systematically studied by galvanostatic cycling, achieving a good description of the electrodes performance. Finally, another family of materials called MXenes has been studied. These 2D materials show promising properties which paired with SiNWs could lead to a very interesting hybrid material for LIBs