Un equipo internacional de investigadores ha logrado aumentar la eficiencia de producir hidrógeno a partir de la división solar directa del agua, hasta un nivel récord del 19 por ciento.
Lo hicieron combinando una pila solar en tándem de semiconductores III-V con un catalizador de nanopartículas de rodio y un recubrimiento de dióxido de titanio cristalino.
Equipos del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Cambridge, la Technische Universität Ilmenau y el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE participaron en el trabajo de desarrollo.
La energía fotovoltaica es uno de los pilares de los sistemas de suministro de energía renovable, y la luz del sol está ampliamente disponible en todo el mundo, pero no todo el día. Una solución para hacer frente a esta generación de energía fluctuante es almacenar la luz solar en forma de energía química, específicamente mediante el uso de la luz solar para producir hidrógeno.
Esto se debe a que el hidrógeno se puede almacenar de manera fácil y segura, y se puede usar de muchas maneras, ya sea en una pila de combustible para generar directamente electricidad y calor, o como materia prima para la fabricación de combustibles.
Si se combinan las células solares con catalizadores y capas funcionales adicionales para formar un «fotoelectrodo monolítico» como un solo bloque, el agua dividida se vuelve especialmente simple: el fotocátodo se sumerge en un medio acuoso y cuando la luz cae sobre él, se forma hidrógeno en el parte delantera y oxígeno en la parte posterior.
Para el fotocátodo monolítico investigado aquí, los equipos de investigación combinaron capas funcionales adicionales con una pila 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 causadas por la absorción y reflexión de la luz parásita.
«Aquí también es donde radica la innovación», explica el profesor Hans-Joachim Lewerenz, de Caltech: «Porque ya habíamos alcanzado una eficiencia de más del 14 por ciento en una pila anterior en 2015, que fue un récord mundial en ese momento. Aquí hemos reemplazado la capa superior anticorrosiva con una capa de dióxido de titanio cristalino que no solo tiene excelentes propiedades antirreflectantes, sino que también se adhieren las partículas de catalizador».
Bajo la radiación solar simulada, los científicos lograron una eficiencia del 19,3 por ciento en ácido perclórico acuoso diluido, mientras que todavía alcanzaban el 18,5 por ciento en un electrolito con pH neutro. Estas cifras se acercan a la eficiencia máxima teórica del 23% que se puede lograr con las propiedades electrónicas inherentes para esta combinación de capas.
