O hidrogênio terá um papel central como meio de armazenamento em sistemas de energia sustentável. Uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu aumentar a eficiência da produção de hidrogênio a partir da divisão solar direta da água para um recorde de 19%. Eles fizeram isso combinando uma célula solar em tandem de semicondutores III-V com um catalisador de nanopartículas de ródio e um revestimento de dióxido de titânio cristalino. Equipes do California Institute of Technology, a Universidade de Cambridge, Technische Universität Ilmenau, e o Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE participaram do trabalho de desenvolvimento. Uma parte dos experimentos foi realizada no Instituto de Combustíveis Solares em Helmholtz-Zentrum Berlin.

A energia fotovoltaica é um dos pilares dos sistemas de fornecimento de energia renovável, e a luz solar está abundantemente disponível em todo o mundo - mas não o tempo todo. Uma solução para lidar com essa geração de energia flutuante é armazenar a luz solar na forma de energia química, especificamente usando a luz solar para produzir hidrogênio. Isso ocorre porque o hidrogênio pode ser armazenado com facilidade e segurança, e usado de muitas maneiras - seja em uma célula de combustível para gerar eletricidade e calor diretamente, ou como matéria-prima para a fabricação de combustíveis. Se você combinar células solares com catalisadores e camadas funcionais adicionais para formar um "fotoeletrodo monolítico" como um bloco único, então a divisão da água torna-se especialmente simples:o fotocátodo é imerso em um meio aquoso e quando a luz incide sobre ele, o hidrogênio é formado na parte da frente e o oxigênio na parte de trás.

Camada anticorrosiva transparente

Para o fotocátodo monolítico investigado aqui, as equipes de pesquisa combinaram camadas funcionais adicionais com uma célula tandem altamente eficiente feita de semicondutores III-V desenvolvida no Fraunhofer ISE. Isso permitiu que eles reduzissem a refletividade da superfície da célula, evitando assim perdas consideráveis ​​causadas pela absorção e reflexão da luz parasita. “É aqui também que reside a inovação”, explica o Prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, EUA:"Como já havíamos alcançado uma eficiência de mais de 14 por cento para uma célula anterior em 2015, que era um recorde mundial na época. Aqui nós substituímos a camada superior anticorrosiva por uma camada de dióxido de titânio cristalino que não só tem excelentes propriedades anti-reflexo, mas ao qual as partículas de catalisador também aderem. "E o Prof. Harry Atwater, Caltech, acrescenta:"Além disso, também usamos um novo processo eletroquímico para produzir as nanopartículas de ródio que servem para catalisar a reação de divisão da água. Essas partículas têm apenas dez nanômetros de diâmetro e são, portanto, opticamente quase transparentes, tornando-os perfeitamente adequados para o trabalho. "

Sob radiação solar simulada, os cientistas alcançaram uma eficiência de 19,3 por cento em ácido perclórico aquoso diluído, enquanto ainda atinge 18,5 por cento em um eletrólito com pH neutro. Esses números se aproximam da eficiência máxima teórica de 23% que pode ser alcançada com as propriedades eletrônicas inerentes a essa combinação de camadas.

"A camada cristalina de dióxido de titânio não apenas protege a célula solar real da corrosão, mas também melhora o transporte de carga graças às suas propriedades eletrônicas vantajosas ", diz o Dr. Matthias May, que realizou parte dos experimentos de determinação de eficiência no HZB Institute for Solar Fuels no laboratório precursor da Solar-Fuel Testing Facility da Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). O número recorde agora publicado baseia-se em um trabalho que maio já havia iniciado como aluno de doutorado no HZB e pelo qual recebeu o Prêmio de Doutorado da Helmholtz Association no campo da pesquisa energética em 2016. “Conseguimos aumentar a vida operacional para quase 100 horas. Este é um grande avanço em relação aos sistemas anteriores que já tinham corroído após 40 horas. No entanto, ainda há muito a ser feito ", May explica.

Isso porque ainda é uma pesquisa fundamental em pequenas, sistemas de alto custo no laboratório. Contudo, os pesquisadores estão otimistas:"Este trabalho mostra que células tandem feitas sob medida para separação solar direta da água têm o potencial de alcançar eficiências além de 20 por cento. Uma abordagem para isso é escolher energias de banda larga ainda melhores para os dois materiais absorvedores em a célula tandem. E uma das duas pode até ser de silício ", explica o Prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. As equipes da Fraunhofer ISE e TU Ilmenau estão trabalhando para projetar células que combinam semicondutores III-V com silício de baixo custo, o que poderia reduzir consideravelmente os custos. "