Equipos del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Cambridge, la Technische Universitaet Ilmenau y el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE participaron en el trabajo de desarrollo. Una parte de los experimentos tuvo lugar en el Instituto de Combustibles Solares en Helmholtz-Zentrum Berlín.
La energía fotovoltaica es un pilar de los sistemas de suministro de energía renovable, y la luz solar está abundantemente disponible en todo el mundo pero no las 24 horas. Una solución para lidiar con esta generación de energía fluctuante es almacenar la luz solar en forma de energía química, específicamente mediante el uso de la luz solar paraproduce hidrógeno. Esto se debe a que el hidrógeno puede almacenarse de manera fácil y segura, y usarse de muchas maneras, ya sea en una celda de combustible para generar electricidad y calor directamente, o como materia prima para la fabricación de combustibles. Si combina celdas solares con catalizadores y capas funcionales adicionalespara formar un fotoelectrodo monolítico como un solo bloque, luego dividir el agua se vuelve especialmente simple: el fotocatodo se sumerge en un medio acuoso y cuando cae la luz sobre él, se forma hidrógeno en la parte frontal y oxígeno en la parte posterior.
Para el fotocatodo monolítico investigado aquí, los equipos de investigación combinaron capas funcionales adicionales con una celda en tándem altamente eficiente hecha de semiconductores III-V desarrollados en Fraunhofer ISE. Esto les permitió reducir la reflectividad de la superficie de la celda, evitando así pérdidas considerables causadaspor absorción y reflexión de luz parásita. "Aquí es también donde radica la innovación", explica el profesor Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, EE. UU .: "Porque ya habíamos logrado una eficiencia de más del 14 por ciento para una celda anterior en 2015, quefue un récord mundial en ese momento. Aquí hemos reemplazado la capa superior anticorrosión con una capa de dióxido de titanio cristalino que no solo tiene excelentes propiedades antirreflectantes, sino a la que también se adhieren las partículas de catalizador ". Y el profesor Harry Atwater,Caltech agrega: "Además, también hemos utilizado un nuevo proceso electroquímico para producir las nanopartículas de rodio que sirven para catalizar la reacción de división del agua. Estas partículas sonsolo diez nanómetros de diámetro y, por lo tanto, son ópticamente casi transparentes, lo que los hace ideales para el trabajo ".
Bajo radiación solar simulada, los científicos lograron una eficiencia del 19.3 por ciento en ácido perclórico acuoso diluido, mientras aún alcanzan el 18.5 por ciento en un electrolito con pH neutro. Estas cifras se acercan al 23 por ciento de eficiencia máxima teórica que se puede lograr conLas propiedades electrónicas inherentes para esta combinación de capas.
"La capa de dióxido de titanio cristalino no solo protege la célula solar real de la corrosión, sino que también mejora el transporte de carga gracias a sus propiedades electrónicas ventajosas", dice el Dr. Matthias May, quien realizó parte de los experimentos de determinación de eficiencia en el HZBInstituto de Combustibles Solares en el laboratorio precursor de la Instalación de Pruebas de Combustible Solar de la Fundición de Materiales de Energía Helmholtz HEMF. La cifra récord ahora publicada se basa en el trabajo que May ya había comenzado como estudiante de doctorado en el HZB y para el cualrecibió el Premio Doctoral de la Asociación Helmholtz por el campo de la investigación energética en 2016. "Pudimos aumentar la vida útil a casi 100 horas. Este es un avance importante en comparación con los sistemas anteriores que ya se habían corroído después de 40 horas. Sin embargo, no huboaún queda mucho por hacer ", explica May.
Esto se debe a que todavía es una investigación fundamental en sistemas pequeños y de alto precio en el laboratorio. Sin embargo, los investigadores son optimistas: "Este trabajo muestra que las células en tándem a medida para la división directa del agua solar tienen el potencial de lograr eficienciasmás del 20 por ciento. Un enfoque para esto es elegir incluso mejores energías de banda prohibida para los dos materiales absorbentes en la celda en tándem. Y uno de los dos podría ser incluso silicio ", explica el profesor Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Equipos enFraunhofer ISE y TU Ilmenau están trabajando para diseñar celdas que combinen semiconductores III-V con silicio de menor precio, lo que podría reducir considerablemente los costos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :