La división del agua con energía solar podría proporcionar una ruta eficiente para la conversión y el almacenamiento de energía renovable a gran escala. Los científicos de TU Delft y AMOLF ahora han diseñado un fotoelectrodo muy eficiente y estable, un material que absorbe la luz y divide directamente el agua en hidrógeno y oxígeno. Es más, utilizan obleas de silicio como material absorbente de luz, por lo que el sistema también es barato. Informan sobre sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza el jueves, 29 de junio.

Conversión de energía

La división del agua fotoelectroquímica (PEC) (en hidrógeno y oxígeno) se considera un enfoque sostenible para producir combustible limpio y renovable mediante la conversión directa de energía solar en energía química. El hidrógeno podría por ejemplo, utilizarse directamente en pilas de combustible o combinarse con otras moléculas para crear productos químicos sostenibles.

'Junto con colegas de AMOLF (Amsterdam), hemos diseñado un fotoelectrodo, un material que absorbe la luz y divide directamente el agua, que tiene una eficiencia muy alta y más de 200 horas de estabilidad ', dice Wilson Smith, Profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química de TU Delft. “Esto es notable en un campo donde la gente normalmente muestra solo unas pocas horas de estabilidad. Usamos obleas de silicio como material absorbente de luz, por lo que el fotoelectrodo también es muy barato ”.

'Entonces, En resumen, ahora tenemos un material de bajo costo, absorbe mucha luz, tiene una alta eficiencia catalítica, y es notablemente estable ”.

MAL

Es esencial que un sistema PEC proporcione una fotocorriente y un fotovoltaje suficientemente altos para impulsar la reacción de oxidación del agua. Normalmente, existe un equilibrio entre la eficacia catalítica de este sistema y su estabilidad a largo plazo. La solución de un problema suele empeorar el otro. 'Aquí, hemos abordado de forma independiente los cuellos de botella de la estabilidad y la catálisis en la división fotoelectroquímica del agua, y los combinó en un sistema simple. Usamos una capa aislante de nuevo diseño para estabilizar el fotoelectrodo semiconductor (Si), al mismo tiempo que utiliza dos metales para aumentar el fotovoltaje y dividir el agua con una alta eficiencia. Este enfoque, conocido como hacer una unión metal-aislante-semiconductor (MIS), ha demostrado ser eficiente anteriormente, pero nunca tan duradero ', Smith explica.

Durabilidad

'A pesar de la gran ventaja de la estructura MIS para la división del agua solar, sigue existiendo una importante compensación entre la alta eficiencia y la durabilidad a largo plazo ', dice Smith. Por lo tanto, muchos esfuerzos se han concentrado en proteger los fotoelectrodos. El níquel (Ni) es un metal atractivo que tiene todas las funcionalidades requeridas para los fotoanodos MIS:una alta función de trabajo para la generación de alto fotovoltaje, un catalizador activo para la oxidación del agua, y alta estabilidad química en solución fuertemente alcalina. Ni absorbe la luz, que puede limitar el rendimiento del fotoelectrodo, por lo que debe hacerse muy delgado (2 nm). Sin embargo, una capa de Ni tan fina no es capaz de proteger completamente el fotoanodo subyacente en un electrolito altamente corrosivo a pH 14.

Sencillo

Los investigadores han desarrollado ahora un fotoanodo MIS que puede producir una alta eficiencia y alta estabilidad mediante la ingeniería de las interfaces metal-aislante y aislante-semiconductor. Específicamente, han introducido una capa de Al2O3 y dos metales, Pt y Ni. Usando esta estrategia de protección simple pero efectiva, obtienen más de 200 horas de funcionamiento de un fotoanodo MIS que muestra fotocorrientes altas constantes en una solución básica fuerte. Por lo tanto, el enfoque utilizado en este estudio puede integrarse potencialmente en la tecnología fotovoltaica existente, haciéndolo prometedor para futuras aplicaciones.

Para realizar con éxito la división espontánea del agua, el fotoanodo debe combinarse con fotoelectrodos de banda prohibida más grandes en una disposición en serie o en tándem. Esto simplificaría el diseño de un dispositivo fotoelectroquímico altamente eficiente para la división del agua solar.