TEM-Imagen de una película de α-SnWO4 (verde) recubierta con 20 nm de NiOx (rosa). En la interfaz de α-SnWO4 y NiOx se puede observar una capa interfacial adicional. Crédito:HZB
Los fotoanodos hechos de óxidos metálicos se consideran una solución viable para la producción de hidrógeno con luz solar. α-SnWO 4 tiene propiedades electrónicas óptimas para la división del agua fotoelectroquímica con la luz solar, pero se corroe fácilmente. Las capas protectoras de óxido de níquel previenen la corrosión, pero reduzca el fotovoltaje y limite la eficiencia. Ahora, un equipo de HZB ha investigado en BESSY II lo que sucede en la interfaz entre el fotoanodo y la capa protectora. Combinado con métodos teóricos, los datos de medición revelan la presencia de una capa de óxido que perjudica la eficiencia del fotoanodo.
El hidrógeno es un factor importante en un sistema energético sostenible. El gas almacena energía en forma química y se puede utilizar de muchas formas:como combustible, materia prima para otros combustibles y productos químicos o incluso para generar electricidad en pilas de combustible. Una solución para producir hidrógeno de forma climáticamente neutra es la división electroquímica del agua con la ayuda de la luz solar. Esto requiere fotoelectrodos que proporcionen fotovoltaje y fotocorriente cuando se exponen a la luz y al mismo tiempo no se corroen en el agua. Los compuestos de óxidos metálicos tienen requisitos previos prometedores para esto. Por ejemplo, dispositivos solares de división de agua que utilizan vanadato de bismuto (BiVO 4 ) los fotoelectrodos ya alcanzan hoy ~ 8% de eficiencia solar a hidrógeno, que está cerca del máximo teórico del material del 9%.
El límite teórico es del 20% en α-SnWO 4
Para lograr eficiencias superiores al 9%, se necesitan nuevos materiales con una banda prohibida más pequeña. El óxido metálico α-SnWO 4 tiene una banda prohibida de 1,9 eV, que es perfectamente adecuado para la división de agua fotoelectroquímica. Teóricamente un fotoanodo hecho de este material podría convertir ~ 20% de la luz solar irradiada en energía química (almacenada en forma de hidrógeno). Desafortunadamente, el compuesto se degrada muy rápidamente en un ambiente acuoso.
La protección contra la corrosión tiene un precio
Capas delgadas de óxido de níquel (NiOx) pueden proteger el α-SnWO 4 fotoanodo de la corrosión, pero se encontró que también reducen significativamente el fotovoltaje. Para entender por qué este es el caso, un equipo dirigido por la Dra. Fatwa Abdi en el Instituto HZB de Combustibles Solares ha analizado el α-SnWO 4 / Interfaz NiOx en detalle en BESSY II.
Interfaz explorada en BESSY II
"Estudiamos muestras con diferentes espesores de NiOx con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES) en BESSY II e interpretamos los datos medidos con resultados de cálculos y simulaciones, "dice Patrick Schnell, el primer autor del estudio y un Ph.D. estudiante de la Escuela Internacional de Investigación HI-SCORE de HZB. "Estos resultados indican que se forma una fina capa de óxido en la interfaz, que reduce el fotovoltaje, "explica Abdi.
Outlook:mejores capas de protección
En general, el estudio proporciona nuevas, conocimientos fundamentales sobre la naturaleza compleja de las interfaces en los fotoelectrodos a base de óxidos metálicos. "Estos conocimientos son muy útiles para el desarrollo de fotoelectrodos escalables de óxido de metal, "dice Abdi. α-SnWO 4 es particularmente prometedor en este sentido. "Actualmente estamos trabajando en un proceso de deposición alternativo para NiOx en α-SnWO 4 que no conduce a la formación de una capa de óxido interfacial, que probablemente sea SnO 2 . Si tiene éxito, esperamos que el rendimiento fotoelectroquímico de α-SnWO 4 aumentará significativamente ".
