Nou estàndard per a la tecnologia d'hidrogen verd establert pels enginyers de la Rice University.
Els enginyers de la Universitat Rice poden girar la llum solar en hidrogen amb una eficiència rècord gràcies a un dispositiu que combina la nova generació semiconductors perovskita d'halogenur* amb electrocatalitzadors en un únic dispositiu durador, rendible i escalable.
D'acord amb un estudi publicat a Nature Communications, el dispositiu va aconseguir una eficiència de conversió solar a hidrogen del 20.8%.
La nova tecnologia és un pas important per a l'energia neta i podria servir com a plataforma per a una àmplia gamma de reaccions químiques que utilitzen electricitat captada pel sol per convertir matèries primeres en combustibles.
El laboratori d'enginyer químic i biomolecular Aditya Mohite va construir el fotoreactor integrat mitjançant una barrera anticorrosiva que aïlla el semiconductor de l'aigua sense impedir la transferència d'electrons.
"Utilitzar la llum solar com a font d'energia per fabricar productes químics és un dels majors obstacles per a una economia d'energia neta", va dir Austin Fehr, estudiant de doctorat en enginyeria química i biomolecular i un dels autors principals de l'estudi.
"El nostre objectiu és construir plataformes econòmicament viables que puguin generar combustibles derivats de l'energia solar. Aquí, hem dissenyat un sistema que absorbeix la llum i completa l'electroquímica química de divisió d'aigua a la seva superfície”.
El dispositiu es coneix com a cèl·lula fotoelectroquímica perquè l'absorció de la llum, la seva conversió en electricitat i l'ús de l'electricitat per alimentar una reacció química es produeixen al mateix dispositiu. Fins ara, l'ús de la tecnologia fotoelectroquímica per produir hidrogen verd es veia obstaculitzat per les baixes eficiència i l'alt cost dels semiconductors.
"Tots els dispositius d'aquest tipus produeixen hidrogen verd utilitzant només la llum solar i l'aigua, però el nostre és excepcional perquè té una eficiència rècord i utilitza un semiconductor molt barat", va dir Fehr.
El Laboratori Mohite i els seus col·laboradors van crear el dispositiu girant el seu cèl·lula solar altament competitiva en un reactor que podria utilitzar l'energia recollida per dividir l'aigua en oxigen i hidrogen.
El repte que havien de superar va ser que les perovskites d'halogenur * són extremadament inestables a l'aigua i els recobriments utilitzats per aïllar els semiconductors van acabar pertorbant la seva funció o danyant-los.
"Durant els últims dos anys, hem anat i tornat provant diferents materials i tècniques", va dir Michael Wong, enginyer químic de Rice i coautor de l'estudi.
Després de llargs assaigs que no van aconseguir el resultat desitjat, els investigadors finalment van trobar una solució guanyadora.
"La nostra idea clau va ser que necessiteu dues capes a la barrera, una per bloquejar l'aigua i una altra per fer un bon contacte elèctric entre les capes de perovskita i la capa protectora", va dir Fehr.
"Els nostres resultats són la més alta eficiència per a cèl·lules fotoelectroquímiques sense concentració solar, i el millor en general per a aquells que utilitzen semiconductors perovskita d'halogenur.
"És el primer per a un camp que històricament ha estat dominat per semiconductors prohibitivament cars i pot representar per primera vegada un camí cap a la viabilitat comercial d'aquest tipus de dispositiu", va dir Fehr.
Els investigadors van demostrar que el seu disseny de barrera funcionava per a diferents reaccions i amb diferents semiconductors, fent-lo aplicable a molts sistemes.
"Esperem que aquests sistemes serveixin com a plataforma per conduir una àmplia gamma d'electrons a reaccions de formació de combustible utilitzant matèries primeres abundants amb només la llum solar com a entrada d'energia", va dir Mohite.
"Amb més millores en l'estabilitat i l'escala, aquesta tecnologia podria obrir l'economia de l'hidrogen i canviar la manera com els humans fan coses des de combustible fòssil fins a combustible solar", va afegir Fehr.
Perovskita – Aquest mineral té una conductivitat més alta que el silici i és menys fràgil. També és molt més abundant a la Terra. Durant l'última dècada, els esforços considerables han donat lloc a desenvolupaments espectaculars, però la seva adopció en l'optoelectrònica futura continua sent un repte.
Les cèl·lules fotovoltaiques de perovskita encara són inestables i pateixen un envelliment prematur. A més, contenen plom, un material molt nociu per al medi ambient i la salut humana. Per aquests motius, els panells no es poden comercialitzar.
Perovskites híbrides halogenades són una classe de materials semiconductors que han estat el focus d'investigació particular en els darrers anys per les seves notables propietats fotoelèctriques i les seves aplicacions en sistemes fotovoltaics.
