En la búsqueda de alternativas abundantes y renovables a los combustibles fósiles, los científicos han tratado de aprovechar la energía del sol a través de la "división del agua", una técnica de fotosíntesis artificial que utiliza la luz solar para generar combustible de hidrógeno a partir del agua. Pero los dispositivos de división del agua aún no hanesté a la altura de su potencial porque todavía no existe un diseño para materiales con la combinación adecuada de propiedades ópticas, electrónicas y químicas necesarias para que funcionen de manera eficiente.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Berkeley Lab y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial JCAP, un Centro de Innovación Energética del DOE, han ideado una nueva receta para combustibles renovables que podrían evitar las limitacionesen los materiales actuales: un dispositivo de fotosíntesis artificial llamado "célula híbrida fotoelectroquímica y voltaica HPEV" que convierte la luz solar y el agua no solo en uno, sino en dos tipos de energía: combustible de hidrógeno y electricidad. El artículo que describe este trabajo fue publicado en29 de octubre Materiales de la naturaleza .
Encontrar una salida para los electrones
La mayoría de los dispositivos de división de agua están hechos de una pila de materiales que absorben la luz. Dependiendo de su composición, cada capa absorbe diferentes partes o "longitudes de onda" del espectro solar, que van desde longitudes de onda menos enérgicas de luz infrarroja hasta más enérgicaslongitudes de onda de luz visible o ultravioleta.
Cuando cada capa absorbe luz, genera un voltaje eléctrico. Estos voltajes individuales se combinan en un voltaje lo suficientemente grande como para dividir el agua en combustible de oxígeno e hidrógeno. Pero según Gideon Segev, investigador postdoctoral en JCAP en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y elEl autor principal del estudio, el problema con esta configuración es que, aunque las células solares de silicio pueden generar electricidad muy cerca de su límite, su potencial de alto rendimiento se ve comprometido cuando forman parte de un dispositivo de división de agua.
La corriente que pasa a través del dispositivo está limitada por otros materiales en la pila que no funcionan tan bien como el silicio, y como resultado, el sistema produce mucha menos corriente de la que podría, y cuanto menos corriente genere, elmenos combustible solar que puede producir.
"Es como correr siempre un automóvil en primera marcha", dijo Segev. "Esta es la energía que podrías cosechar, pero como el silicio no está actuando en su punto de máxima potencia, la mayoría de los electrones excitados en el silicio no tienen a dónde irir, para que pierdan su energía antes de ser utilizados para hacer un trabajo útil "
Salir de la primera marcha
Entonces Segev y sus coautores: Jeffrey W. Beeman, investigador de JCAP en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab, y los ex investigadores de Berkeley Lab y JCAP Jeffery Greenblatt, quien ahora dirige la consultora de tecnología Emerging Futures LLC, con sede en el Área de la Bahía,e Ian Sharp, ahora profesor de física experimental de semiconductores en la Universidad Técnica de Munich en Alemania, propuso una solución sorprendentemente simple a un problema complejo.
"Pensamos: '¿Y si dejamos salir los electrones?'", Dijo Segev.
En los dispositivos de división de agua, la superficie frontal generalmente está dedicada a la producción de combustibles solares, y la superficie posterior sirve como una toma de corriente. Para evitar las limitaciones del sistema convencional, agregaron un contacto eléctrico adicional a la superficie posterior del componente de silicio,dando como resultado un dispositivo HPEV con dos contactos en la parte posterior en lugar de solo uno. La salida posterior adicional permitiría dividir la corriente en dos, de modo que una parte de la corriente contribuye a la generación de combustibles solares, y el resto puede extraerse comoenergía eléctrica.
Cuando lo que ves es lo que obtienes
Después de ejecutar una simulación para predecir si el HPEC funcionaría según lo diseñado, hicieron un prototipo para probar su teoría. "¡Y para nuestra sorpresa, funcionó!", Dijo Segev. "En ciencia, nunca estás realmente seguro de si todo está bienfuncionará incluso si las simulaciones de su computadora dicen que lo harán. Pero eso también es lo que lo hace divertido. Fue genial ver que nuestros experimentos validaron las predicciones de nuestras simulaciones ".
Según sus cálculos, un generador de hidrógeno solar convencional basado en una combinación de vanadato de silicio y bismuto, un material ampliamente estudiado para la división del agua solar, generaría hidrógeno con una eficiencia solar a hidrógeno del 6,8 por ciento. En otras palabras,De toda la energía solar incidente que golpea la superficie de una celda, el 6.8 por ciento se almacenará en forma de combustible de hidrógeno y todo el resto se perderá.
En contraste, las células HPEV recolectan los electrones sobrantes que no contribuyen a la generación de combustible. En cambio, estos electrones residuales se utilizan para generar energía eléctrica, lo que resulta en un aumento dramático en la eficiencia general de conversión de energía solar, dijo Segev. Por ejemplo, segúnsegún los mismos cálculos, el mismo 6.8 por ciento de la energía solar puede almacenarse como combustible de hidrógeno en una celda HPEV hecha de vanadato de bismuto y silicio, y otro 13.4 por ciento de la energía solar puede convertirse en electricidad. Esto permite una eficiencia combinada de20.2 por ciento, tres veces mejor que las celdas de hidrógeno solar convencionales.
Los investigadores planean continuar su colaboración para que puedan considerar el uso del concepto HPEV para otras aplicaciones, como reducir las emisiones de dióxido de carbono. "Este fue realmente un esfuerzo grupal en el que las personas con mucha experiencia pudieron contribuir", agregó Segev"Después de un año y medio de trabajar juntos en un proceso bastante tedioso, fue genial ver que nuestros experimentos finalmente se unieron".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :