En la búsqueda de abundancia alternativas renovables a los combustibles fósiles, Los científicos han buscado recolectar la energía del sol a través de la "división del agua, "una técnica de fotosíntesis artificial que utiliza la luz solar para generar combustible de hidrógeno a partir del agua. Pero los dispositivos de separación de agua aún tienen que estar a la altura de su potencial porque todavía no hay un diseño de materiales con la combinación correcta de ópticos, electrónico, y propiedades químicas necesarias para que funcionen de manera eficiente.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP), un centro de innovación energética del DOE, han ideado una nueva receta de combustibles renovables que podría eludir las limitaciones de los materiales actuales:un dispositivo de fotosíntesis artificial llamado "célula fotoelectroquímica y voltaica híbrida (HPEV)" que convierte la luz solar y el agua en no solo una, pero dos tipos de energía:combustible de hidrógeno y electricidad. El artículo que describe este trabajo fue publicado el 29 de octubre en Materiales de la naturaleza .

Encontrar una salida para los electrones

La mayoría de los dispositivos para dividir el agua están hechos de una pila de materiales que absorben la luz. Dependiendo de su composición, cada capa absorbe diferentes partes o "longitudes de onda" del espectro solar, que van desde longitudes de onda menos energéticas de luz infrarroja hasta longitudes de onda más energéticas de luz visible o ultravioleta.

Cuando cada capa absorbe luz, genera un voltaje eléctrico. Estos voltajes individuales se combinan en un voltaje lo suficientemente grande como para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno como combustible. Pero según Gideon Segev, investigador postdoctoral en JCAP en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y autor principal del estudio, El problema con esta configuración es que, aunque las células solares de silicio pueden generar electricidad muy cerca de su límite, su potencial de alto rendimiento se ve comprometido cuando forman parte de un dispositivo separador de agua.

La corriente que pasa a través del dispositivo está limitada por otros materiales en la pila que no funcionan tan bien como el silicio. y como un resultado, el sistema produce mucha menos corriente de la que podría, y cuanto menos corriente genera, menos combustible solar puede producir.

"Es como tener siempre un coche en primera, ", dijo Segev." Esta es la energía que podrías cosechar, pero debido a que el silicio no actúa en su punto de máxima potencia, la mayoría de los electrones excitados en el silicio no tienen adónde ir, por lo que pierden su energía antes de que se utilicen para realizar un trabajo útil ".

Salir de la primera marcha

Entonces Segev y sus coautores, Jeffrey W. Beeman, un investigador de JCAP en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab, y los ex investigadores de Berkeley Lab y JCAP Jeffery Greenblatt, que ahora dirige la consultora de tecnología Emerging Futures LLC, con sede en el Área de la Bahía, e Ian Sharp, ahora profesor de física experimental de semiconductores en la Universidad Técnica de Munich en Alemania, propuso una solución sorprendentemente simple a un problema complejo.

"Pensamos, '¿Qué pasa si dejamos salir los electrones?' ", Dijo Segev.

En dispositivos de división de agua, la superficie frontal suele estar dedicada a la producción de combustibles solares, y la superficie trasera sirve como toma de corriente. Para solucionar las limitaciones del sistema convencional, agregaron un contacto eléctrico adicional a la superficie posterior del componente de silicio, resultando en un dispositivo HPEV con dos contactos en la parte posterior en lugar de solo uno. La salida posterior adicional permitiría dividir la corriente en dos, para que una parte de la corriente contribuya a la generación de combustibles solares, y el resto se puede extraer como energía eléctrica.

Cuando lo que ves es lo que obtienes

Después de ejecutar una simulación para predecir si el HPEC funcionaría según lo diseñado, hicieron un prototipo para probar su teoría. "Y para nuestra sorpresa, ¡funcionó! ", dijo Segev." En ciencia, nunca está realmente seguro de si todo va a funcionar, incluso si las simulaciones de su computadora dicen que lo harán. Pero eso también lo hace divertido. Fue genial ver que nuestros experimentos validaban las predicciones de nuestras simulaciones ".

Según sus cálculos, un generador de hidrógeno solar convencional basado en una combinación de vanadato de silicio y bismuto, un material ampliamente estudiado para la división del agua solar, generaría hidrógeno con una eficiencia solar a hidrógeno del 6,8 por ciento. En otras palabras, de toda la energía solar incidente que golpea la superficie de una celda, El 6,8 por ciento se almacenará en forma de combustible de hidrógeno, y todo lo demás se pierde.

A diferencia de, las células HPEV recolectan electrones sobrantes que no contribuyen a la generación de combustible. Estos electrones residuales se utilizan en cambio para generar energía eléctrica, resultando en un aumento dramático en la eficiencia general de conversión de energía solar, dijo Segev. Por ejemplo, según los mismos cálculos, el mismo 6,8 por ciento de la energía solar se puede almacenar como combustible de hidrógeno en una celda HPEV hecha de vanadato de bismuto y silicio, y otro 13,4 por ciento de la energía solar se puede convertir en electricidad. Esto permite una eficiencia combinada del 20,2 por ciento, tres veces mejor que las células solares de hidrógeno convencionales.

Los investigadores planean continuar su colaboración para que puedan considerar el uso del concepto HPEV para otras aplicaciones, como la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. "Este fue realmente un esfuerzo grupal en el que personas con mucha experiencia pudieron contribuir, ", agregó Segev." Después de un año y medio de trabajar juntos en un proceso bastante tedioso, fue genial ver que nuestros experimentos finalmente se unieron ".