Un equipo del Instituto HZB para Combustibles Solares ha desarrollado un proceso para proporcionar semiconductores sensibles para la división del agua solar "hojas artificiales" con una capa protectora orgánica y transparente. La capa protectora extremadamente delgada hecha de cadenas de carbono es estable, conductora, y cubierto con nanopartículas catalizadoras de óxidos metálicos. Estos aceleran la división del agua cuando son irradiados por la luz. El equipo pudo producir una estructura de fotoanodo híbrido basado en silicio que desarrolla oxígeno a densidades de corriente superiores a 15 mA / cm 2 . Los resultados ya se han publicado en Materiales de energía avanzada .
La "hoja artificial" consiste en principio en una célula solar que se combina con otras capas funcionales. Estas actúan como electrodos y además están recubiertas con catalizadores. Si el complejo sistema de materiales se sumerge en agua e ilumina, puede descomponer el aguamoléculas. Esto hace que se genere hidrógeno que almacena la energía solar en forma química. Sin embargo, todavía hay varios problemas con el estado actual de la tecnología. Por un lado, suficiente luz debe llegar a la célula solar para crear el voltaje para la división del agua- a pesar de las capas adicionales de material. Además, los materiales semiconductores de los que generalmente están hechas las células solares no pueden soportar las condiciones ácidas típicas durante mucho tiempo. Por esta razón, la hoja artificial necesita una capa protectora estable que debe ser simultáneamentetransparente y conductivo.
Catalizador usado dos veces
El equipo trabajó con muestras de silicio, un material semiconductor dopado n que actúa como una simple célula solar para producir un voltaje cuando está iluminado. La científica de materiales Anahita Azarpira, estudiante de doctorado en el grupo del Dr. Thomas Schedel-Niedrig, preparó estas muestrasde tal manera que se formaron cadenas de carbono-hidrógeno en la superficie del silicio. "Como siguiente paso, deposité nanopartículas de dióxido de rutenio, un catalizador", explica Azarpira. Esto resultó en la formación de una capa polimérica conductora y estable solamentede tres a cuatro nanómetros de espesor. Las reacciones en la célula prototipo electroquímica fueron extremadamente complicadas y solo se podían entender ahora en HZB.
Las partículas de dióxido de rutenio en este nuevo proceso se utilizaron dos veces por primera vez. En primer lugar, proporcionan el desarrollo de una capa protectora orgánica efectiva. Esto permite el proceso para producir capas protectoras, normalmente muy complicadas- se simplificará enormemente. Solo entonces el catalizador hace su "trabajo normal" de acelerar la división del agua en oxígeno e hidrógeno.
La capa de protección orgánica combina una excelente estabilidad con altas densidades de corriente
El electrodo de silicio protegido con esta capa alcanza densidades de corriente superiores a 15 mA / cm 2 . Esto indica que la capa de protección muestra una buena conductividad electrónica, que de ninguna manera es trivial para una capa orgánica. Además, los investigadores no observaron degradación de la célula; el rendimiento se mantuvo constante durante todo el período de medición de 24 horasEs notable que un material completamente diferente se haya favorecido como una capa protectora orgánica: el grafeno. Este material bidimensional ha sido objeto de mucha discusión, pero hasta ahora solo podía emplearse para procesos electroquímicos con un éxito limitado, mientras que elLa capa protectora desarrollada en HZB funciona bastante bien. Debido a que el nuevo material podría prestarse para el proceso de deposición y para otras aplicaciones, estamos tratando de adquirir derechos de propiedad protegidos internacionales ", dice Thomas Schedel-Niedrig, jefe del grupo.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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