El óxido sería un material fotoelectrodo extremadamente económico y estable para producir hidrógeno verde con luz. Pero la eficiencia es limitada. La imagen TEM muestra un fotoanodo que contiene una fina capa fotoactiva de óxido. Crédito:Technion
Se necesitará hidrógeno en grandes cantidades como portador de energía y materia prima en el sistema energético del futuro. Lograr esto, sin embargo, el hidrógeno debe producirse de forma climáticamente neutra, por ejemplo a través de la llamada fotoelectrólisis, mediante el uso de la luz solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Como fotoelectrodos, Se necesitan materiales semiconductores que conviertan la luz solar en electricidad y se mantengan estables en el agua. Los óxidos metálicos se encuentran entre los mejores candidatos para fotoelectrodos estables y económicos. Algunos de estos óxidos metálicos también tienen superficies catalíticamente activas que aceleran la formación de hidrógeno en el cátodo u oxígeno en el ánodo.
¿Por qué el óxido no es mucho mejor?
La investigación se ha centrado durante mucho tiempo en la hematita (α-Fe 2 O 3 ), que es ampliamente conocido como óxido. La hematita es estable en agua, extremadamente económico y muy adecuado como fotoanodo con una actividad catalítica demostrada para el desprendimiento de oxígeno. Aunque la investigación sobre fotoanodos de hematita se ha realizado durante unos 50 años, la eficiencia de conversión de fotocorriente es inferior al 50% del valor máximo teórico. En comparación, la eficiencia de la fotocorriente del material semiconductor silicio, que ahora domina casi el 90% del mercado fotovoltaico, es aproximadamente el 90% del valor máximo teórico.
Los científicos han estado desconcertados por esto durante mucho tiempo. ¿Qué se ha pasado exactamente por alto? ¿Cuál es la razón por la que solo se han logrado aumentos modestos en la eficiencia?
El equipo israelí-alemán resuelve el rompecabezas
En un estudio reciente publicado en Materiales de la naturaleza , sin embargo, un equipo dirigido por el Dr. Daniel Grave (Universidad Ben Gurion), El Dr. Dennis Friedrich (HZB) y el Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) han proporcionado una explicación de por qué la hematita está tan por debajo del valor máximo calculado. El grupo de Technion investigó cómo la longitud de onda de la luz absorbida en películas delgadas de hematita afecta las propiedades fotoelectroquímicas, mientras que el equipo de HZB determinó las propiedades del portador de carga dependiente de la longitud de onda en películas delgadas de óxido con mediciones de microondas resueltas en el tiempo.
Propiedad física fundamental extraída
Al combinar sus resultados, Los investigadores lograron extraer una propiedad física fundamental del material que generalmente se había descuidado al considerar los absorbentes solares inorgánicos:el espectro de rendimiento de la fotogeneración. "Mas o menos, esto significa que solo una parte de la energía de la luz absorbida por la hematita genera portadores de carga móviles, el resto genera estados excitados bastante localizados y, por lo tanto, se pierde, "Grave explica.
El óxido no mejorará mucho
"Este nuevo enfoque proporciona información experimental sobre la interacción luz-materia en la hematita y permite distinguir su espectro de absorción óptica en absorción productiva y absorción no productiva, "Explica Rothschild." Podríamos demostrar que el límite superior efectivo para la eficiencia de conversión de los fotoanodos de hematita es significativamente más bajo de lo esperado basado en la absorción de banda prohibida anterior, "dice Grave. Según el nuevo cálculo, Los fotoanodos de hematita "campeones" de hoy ya se han acercado bastante al máximo teóricamente posible. Así que no hay nada mejor que eso.
Evaluación de nuevos materiales de fotoelectrodos
El enfoque también se ha aplicado con éxito al TiO 2 , un material modelo, y BiVO 4 , que es actualmente el material fotoanodo de óxido metálico de mejor rendimiento. "Con este nuevo enfoque, hemos agregado una poderosa herramienta a nuestro arsenal que nos permite identificar el potencial realizable de los materiales fotoelectrodos. Es de esperar que la implementación de esto en materiales novedosos acelere el descubrimiento y desarrollo del fotoelectrodo ideal para la división del agua solar. También nos permitiría 'fallar rápidamente', que es posiblemente igual de importante cuando se desarrollan nuevos materiales absorbentes, "dice Friedrich.
