Los ingenieros de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han hecho un descubrimiento sorprendente que podría mejorar drásticamente la vida útil de los dispositivos de recolección de energía solar.

Los hallazgos les permitieron lograr la vida útil más larga de un componente clave de algunos tipos de células fotovoltaicas llamado electrodo fotoelectroquímico. que utiliza la luz solar para dividir el agua en sus partes constituyentes de hidrógeno y oxígeno.

En un artículo publicado el 24 de julio, 2018, en la revista de investigación Nano letras , un equipo dirigido por un Ph.D. en ingeniería y ciencia de materiales de UW-Madison. el estudiante Yanhao Yu y su asesor, Profesor Xudong Wang, describió una estrategia que extendió la vida útil de un electrodo fotoquímico a la friolera de 500 horas, más de cinco veces la vida útil típica de 80 horas.

Generalmente, estos tipos de electrodos están hechos de silicona, que abre bien el agua, pero es muy inestable y se degrada rápidamente cuando entra en contacto con condiciones corrosivas. Para proteger estos electrodos, los ingenieros a menudo cubren sus superficies con una capa fina.

Es una táctica que solo retrasa su eventual colapso, a veces después de unos días y otras en cuestión de horas.

"El rendimiento varía mucho y nadie sabe realmente por qué. Es una gran pregunta, "dice Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison.

Curiosamente, los investigadores no hicieron ningún cambio en el material de recubrimiento. Bastante, aumentaron la vida útil del electrodo aplicando una capa de dióxido de titanio aún más fina de lo habitual.

En otras palabras, menos realmente era más.

La clave de este rendimiento excepcional fue el descubrimiento del equipo sobre la estructura atómica de las películas delgadas de dióxido de titanio, que los investigadores crean utilizando una técnica llamada deposición de capa atómica.

Previamente, Los investigadores creían que los átomos de las películas delgadas de dióxido de titanio adoptaban una de dos conformaciones:revueltos y desordenados en un estado denominado "amorfo". "o encerrados en una disposición que se repite regularmente y es predecible llamada forma cristalina.

Crucialmente, los investigadores estaban seguros de que todos los átomos de una película delgada determinada se comportaban de la misma manera. Cristalino o amorfo. Blanco o negro. Sin intermedios.

Lo que encontraron los colegas de Wang, sin embargo, es un área gris:vieron que pequeñas bolsas de un estado intermedio persistían en los revestimientos finales; la estructura atómica en estas áreas no era ni amorfa ni cristalina. Estos intermedios nunca se habían observado antes.

"Esta es una vanguardia de la ciencia de síntesis de materiales, ", dice Wang." Estamos pensando que la cristalización no es tan sencilla como la gente cree ".

Observar esos intermedios no fue tarea fácil. Ingrese el colega de Wang, Paul Voyles, un experto en microscopía que aprovechó las instalaciones únicas de UW-Madison para realizar sofisticadas mediciones de microscopía electrónica de transmisión de barrido, permitiéndole detectar las estructuras diminutas.

Desde allí, los investigadores determinaron que esos intermedios redujeron la vida útil de las películas delgadas de dióxido de titanio al provocar picos de corriente electrónica que se comieron pequeños orificios en los recubrimientos protectores.

Eliminar esos intermedios, lo que prolonga la vida útil del recubrimiento, es tan simple como usar una película más delgada.

Las películas más delgadas dificultan la formación de intermedios dentro de la película, así que al reducir el grosor en tres cuartos (de 10 nanómetros a 2,5), los investigadores crearon recubrimientos que duraron más de cinco veces más que los recubrimientos tradicionales.

Y ahora que han descubierto estas estructuras peculiares, los investigadores quieren aprender más sobre cómo se forman e influyen en las propiedades de las películas amorfas. Ese es el conocimiento que podría revelar otras estrategias para eliminarlos, que no solo podrían mejorar el rendimiento, dice Wang, pero también abren nuevas oportunidades en otros sistemas relacionados con la energía, como catalizadores, células solares y baterías.

"Estos intermedios podrían ser algo muy importante que se ha pasado por alto, ", dice Wang." Podrían ser un aspecto crítico que controle las propiedades de la película ".