Producir películas delgadas de óxido de metal de bajo costo con alta calidad electrónica para la división solar del agua no es una tarea fácil. Especialmente porque las mejoras de calidad de las películas delgadas de óxido de metal superior necesitan procesamiento térmico a altas temperaturas, lo que derretiría el sustrato de vidrio subyacente. Ahora, un equipo del HZB-Institute for Solar Fuels ha resuelto este dilema:un pulso de luz rápido y de alta intensidad calienta directamente la película delgada de óxido de metal semiconductor, lo que permite lograr las condiciones de calentamiento óptimas sin dañar el sustrato.

La energía solar puede impulsar directamente reacciones electroquímicas en la superficie de los fotoelectrodos. Los fotoelectrodos consisten en películas delgadas semiconductoras sobre sustratos transparentes de vidrio conductor que convierten la luz en electricidad. La mayoría de los estudios fotoelectroquímicos se han centrado en la división del agua, una reacción termodinámicamente cuesta arriba que podría ofrecer un camino atractivo para la captura y el almacenamiento a largo plazo de la energía solar mediante la producción de hidrógeno "verde".

Los fotoelectrodos de película delgada de óxido de metal son particularmente interesantes para estas diversas funciones. Comprenden abundantes elementos, que ofrecen potencialmente una capacidad de ajuste infinita para lograr las propiedades deseadas, a costos potencialmente bajos.

Hecho de plasma

En el Instituto HZB para Combustibles Solares, varios equipos se enfocan en desarrollar tales fotoelectrodos. El método habitual para producirlos es la deposición de láser pulsado:un pulso de láser intenso golpea un objetivo que contiene el material y lo convierte en un plasma de alta energía depositado en un sustrato.

La calidad necesita calor

Se necesitan más pasos para mejorar la calidad de la película delgada depositada. En particular, el procesamiento térmico de la película delgada de óxido de metal reduce los defectos e imperfecciones. Sin embargo, esto crea un dilema:la reducción de la concentración de defectos atómicos y las mejoras en el orden cristalino de las películas delgadas de óxido metálico requerirían temperaturas de procesamiento térmico entre 850 y 1000 grados Celsius, pero el sustrato de vidrio ya se funde a 550 grados Celsius.

Calentamiento instantáneo de la película delgada

El Dr. Ronen Gottesman del Instituto HZB para Combustibles Solares ahora ha resuelto este problema:después de la deposición, utilizando lámparas de alta potencia, calienta la película delgada de óxido metálico. Esto lo calienta hasta 850 grados centígrados sin derretir el sustrato de vidrio subyacente.

"El calor reduce de manera eficiente los defectos estructurales, los estados de trampa, los límites de grano y las impurezas de fase, que serían más difíciles de mitigar con un número cada vez mayor de elementos en los óxidos metálicos. Por lo tanto, los nuevos enfoques de síntesis innovadores son esenciales. Ahora hemos demostrado esto en fotoelectrodos hechos de Ta₂ O₅ , TiO₂ , y WO₃ , que calentamos a 850 °C sin dañar los sustratos", dice Gottesman.

Récord de rendimiento para α-SnWO₄

El nuevo método también tuvo éxito con un material de fotoelectrodo que se considera un muy buen candidato para la división del agua solar:α-SnWO₄ . El calentamiento del horno convencional deja impurezas de fase. El calentamiento por procesamiento térmico rápido (RTP) mejoró la cristalinidad, las propiedades electrónicas y el rendimiento, lo que llevó a un nuevo rendimiento récord de 1 mA/cm ² para este material, superior en un 25% al ​​récord anterior.

"Esto también es interesante para la producción de puntos cuánticos o perovskitas de haluro, que también son sensibles a la temperatura", explica Gottesman.

La investigación fue publicada en ACS Energy Letters . + Explora más

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