El hidrógeno jugará un papel central como medio de almacenamiento en los sistemas energéticos sostenibles. Un equipo internacional de investigadores ha logrado aumentar la eficiencia de la producción de hidrógeno a partir de la división directa del agua solar a un récord del 19 por ciento. Lo hicieron combinando una celda solar en tándem de semiconductores III-V con un catalizador de nanopartículas de rodio y un recubrimiento cristalino de dióxido de titanio. Equipos del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Cambridge, Technische Universität Ilmenau, y el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE participaron en el trabajo de desarrollo. Una parte de los experimentos tuvo lugar en el Instituto de Combustibles Solares en Helmholtz-Zentrum Berlin.

La energía fotovoltaica es un pilar de los sistemas de suministro de energía renovable, y la luz solar está disponible en abundancia en todo el mundo, pero no durante todo el día. Una solución para hacer frente a esta generación de energía fluctuante es almacenar la luz solar en forma de energía química, específicamente mediante el uso de la luz solar para producir hidrógeno. Esto se debe a que el hidrógeno se puede almacenar de forma fácil y segura, y se utiliza de muchas formas, ya sea en una pila de combustible para generar directamente electricidad y calor, o como materia prima para la fabricación de combustibles. Si combina células solares con catalizadores y capas funcionales adicionales para formar un "fotoelectrodo monolítico" como un solo bloque, luego, dividir el agua se vuelve especialmente simple:el fotocátodo se sumerge en un medio acuoso y cuando la luz incide sobre él, el hidrógeno se forma en el anverso y el oxígeno en el reverso.

Capa anticorrosión transparente

Para el fotocátodo monolítico investigado aquí, Los equipos de investigación combinaron capas funcionales adicionales con una celda en tándem altamente eficiente hecha de semiconductores III-V desarrollados en Fraunhofer ISE. Esto les permitió reducir la reflectividad superficial de la celda, evitando así pérdidas considerables causadas por la absorción y reflexión parásitas de la luz. "Aquí es también donde reside la innovación", explica el profesor Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, EE. UU .:"Debido a que ya habíamos logrado una eficiencia de más del 14 por ciento para una celda anterior en 2015, que fue un récord mundial en ese momento. Aquí hemos reemplazado la capa superior anticorrosión con una capa de dióxido de titanio cristalino que no solo tiene excelentes propiedades antirreflejos, pero al que también se adhieren las partículas de catalizador ". Y el profesor Harry Atwater, Caltech, añade:"Además, También hemos utilizado un nuevo proceso electroquímico para producir las nanopartículas de rodio que sirven para catalizar la reacción de separación del agua. Estas partículas tienen solo diez nanómetros de diámetro y, por lo tanto, son ópticamente casi transparentes. haciéndolos ideales para el trabajo ".

Bajo radiación solar simulada, los científicos lograron una eficiencia del 19,3 por ciento en ácido perclórico acuoso diluido, mientras que todavía alcanza el 18,5 por ciento en un electrolito con pH neutro. Estas cifras se acercan al 23 por ciento de eficiencia máxima teórica que se puede lograr con las propiedades electrónicas inherentes para esta combinación de capas.

"La capa cristalina de dióxido de titanio no solo protege la celda solar real de la corrosión, pero también mejora el transporte de carga gracias a sus ventajosas propiedades electrónicas ", dice el Dr. Matthias May, quien llevó a cabo parte de los experimentos de determinación de la eficiencia en el Instituto HZB de Combustibles Solares en el laboratorio precursor de la Instalación de Prueba de Combustible Solar de la Fundición de Materiales Energéticos Helmholtz (HEMF). La cifra récord ahora publicada se basa en un trabajo que May ya había comenzado como estudiante de doctorado en la HZB y por el que recibió el Premio de Doctorado de la Asociación Helmholtz en el campo de la investigación energética en 2016. “Pudimos aumentar la vida operativa a casi 100 horas. Este es un avance importante en comparación con los sistemas anteriores que ya se habían corroído después de 40 horas. Sin embargo, aún queda mucho por hacer ", May explica.

Esto se debe a que sigue siendo una investigación fundamental sobre pequeños sistemas de alto precio en el laboratorio. Sin embargo, los investigadores son optimistas:"Este trabajo muestra que las células en tándem hechas a medida para la división directa del agua solar tienen el potencial de lograr eficiencias superiores al 20 por ciento. Un enfoque para esto es elegir energías de banda prohibida aún mejores para los dos materiales absorbentes en la celda en tándem. Y uno de los dos incluso podría ser de silicio ", explica el profesor Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Los equipos de Fraunhofer ISE y TU Ilmenau están trabajando para diseñar celdas que combinen semiconductores III-V con silicio de menor precio, lo que podría reducir considerablemente los costos ".