Una nueva y poderosa célula solar produce tanto combustible de hidrógeno como energía eléctrica

En un campo que es esencialmente la flexión en el agua y la energía renovable, los investigadores aprovecharon la fotosíntesis para dividir el agua y producir combustible de hidrógeno. Dividir el H2O a su nivel molecular es algo que los científicos han estado haciendo durante más de 200 años, y podrían ser la clave tentadora para una economía de hidrógeno libre de emisiones, si tan solo pudiera ampliarse.

Afortunadamente, hemos avanzado en reducir los costos, y los investigadores también se han acercado a dominar el arte de la fotosíntesis artificial, pero la baja eficiencia evita que el proceso sueñe en grande, al menos hasta ahora.

Eso es de acuerdo con un nuevo documento publicado el lunes en Materiales de la naturaleza por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que presenta una solución híbrida simple y elegante que evita el actual cuello de botella para las células fotoelectroquímicas.

"Es un almuerzo gratis", dice el investigador principal Gideon Segev Inverso.

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Células fotoelectroquímicas son el agua y la luz de la ciencia

Las células fotoelectroquímicas suelen ser una pila de diferentes materiales que absorben la luz. Cada capa absorbe una longitud de onda diferente, acumulando voltajes eléctricos que culminan en un voltaje lo suficientemente fuerte como para dividir el agua en oxígeno y combustible de hidrógeno.

Esto, naturalmente, suena como un buen uso de la luz solar. Pero incluso cuando las células solares de silicio funcionan bien, surgen problemas cuando otros materiales de la pila no pueden igualar su rendimiento, lo que permite que la energía se desperdicie.

"Necesitas dos materiales, idealmente silicona y además de otro material que absorba la parte más energética del material", dice Segev. "El cuello de botella en el sistema es y siempre será el otro material, por lo que la investigación es principalmente para mejorar el otro material".

Cómo los electrones presentan una solución elegante

Con tanta investigación centrada en ese "otro material", Segev y su equipo decidieron dar un paso atrás y ver cómo podrían mejorar todo el sistema. Y se dieron cuenta de que hay una fuente de energía completamente diferente a la espera de ser captada: los electrones.

“Tienes este material semiconductor y absorbe la luz. La luz puede considerarse como una partícula. Entonces, cuando un fotón es absorbido, le da su energía al electrón, en su estado de excitación ", explica Segev. “Se puede decir que el electrón tiene un tiempo específico antes de perder su energía, la energía que los fotones le dieron.

Investigaciones anteriores simplemente permitieron que las células se calentaran y dejaran que la energía se disipara. El equipo de Segev literalmente le dio a la energía del electrón una salida. Si bien la mayoría de los dispositivos de división de agua suelen tener dos lados, uno para producir combustibles solares y el otro para liberar la corriente, este nuevo prototipo tiene dos salidas en la parte posterior, una para la generación de combustible solar y otra para la energía eléctrica. Dos tipos de energía, una célula.

El prototipo, que tomó 19 iteraciones exasperantes en el transcurso de un año para crearlo, tiene un potencial dramático en la tasa de eficiencia de la energía solar para combustible de hidrógeno de su tasa actual, 6.8 por ciento. Con los materiales ideales, el grupo calculó un aumento potencial del 20,2 por ciento, triplicando la velocidad de las células de hidrógeno solar convencionales.

De repente, las estaciones de alimentación de hidrógeno solar del futuro no parecen desesperadas, aunque se requieren investigaciones adicionales antes de que podamos lograr una utopía impulsada por hidrógeno.

"Si funcionara de manera eficiente y tuviera un costo competitivo, tal vez podríamos comenzar a hablar de estaciones comerciales o de combustible de hidrógeno alimentadas por el sol", dice Segev. "Pero creo que todo esto es muy prematuro en esta etapa, por lo que no estamos en un punto en el que podamos hablar de hacer de esto una tecnología que la gente vería en sus vidas mañana por la mañana".

Pero Segev, podemos soñar.

Corrección: una versión anterior de la historia imprimió erróneamente que el prototipo logró triple eficiencia, mientras que esto sigue siendo un cálculo. La historia se ha actualizado con comentarios adicionales del autor del estudio.