Na busca pela abundância, alternativas renováveis ​​para combustíveis fósseis, cientistas têm procurado colher a energia do sol por meio da "divisão da água, "uma técnica de fotossíntese artificial que usa a luz do sol para gerar hidrogênio combustível a partir da água. Mas os dispositivos de separação de água ainda não atingiram seu potencial porque ainda não há um design para materiais com a combinação certa de óptica, eletrônico, e propriedades químicas necessárias para que funcionem com eficiência.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e do Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), um Centro de Inovação de Energia DOE, criaram uma nova receita para combustíveis renováveis ​​que poderia contornar as limitações dos materiais atuais:um dispositivo de fotossíntese artificial chamado de "célula híbrida fotoeletroquímica e voltaica (HPEV)" que transforma luz solar e água em não apenas uma, mas dois tipos de energia - combustível de hidrogênio e eletricidade. O artigo que descreve este trabalho foi publicado em 29 de outubro em Materiais da Natureza .

Encontrando uma saída para os elétrons

A maioria dos dispositivos de separação de água são feitos de uma pilha de materiais que absorvem luz. Dependendo de sua composição, cada camada absorve diferentes partes ou "comprimentos de onda" do espectro solar, variando de comprimentos de onda menos energéticos de luz infravermelha a comprimentos de onda mais energéticos de luz visível ou ultravioleta.

Quando cada camada absorve luz, ela cria uma voltagem elétrica. Essas tensões individuais se combinam em uma tensão grande o suficiente para dividir a água em oxigênio e hidrogênio combustível. Mas de acordo com Gideon Segev, um pesquisador de pós-doutorado no JCAP na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab e o principal autor do estudo, o problema com esta configuração é que, embora as células solares de silício possam gerar eletricidade muito perto de seu limite, seu potencial de alto desempenho é comprometido quando eles fazem parte de um dispositivo de divisão de água.

A corrente que passa pelo dispositivo é limitada por outros materiais na pilha que não funcionam tão bem quanto o silício, e como resultado, o sistema produz muito menos corrente do que poderia - e quanto menos corrente ele gera, menos combustível solar pode produzir.

"É como sempre dirigir um carro em primeira marcha, "disse Segev." Esta é a energia que você pode colher, mas porque o silício não está agindo em seu ponto de potência máximo, a maioria dos elétrons excitados no silício não tem para onde ir, então eles perdem sua energia antes de serem utilizados para fazer um trabalho útil. "

Saindo da primeira marcha

Então Segev e seus co-autores - Jeffrey W. Beeman, um pesquisador do JCAP na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab, e os ex-pesquisadores do Berkeley Lab e JCAP, Jeffery Greenblatt, que agora dirige a consultoria de tecnologia baseada na Bay Area Emerging Futures LLC, e Ian Sharp, agora professor de física experimental de semicondutores na Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, propôs uma solução surpreendentemente simples para um problema complexo.

"Nós pensamos, 'E se simplesmente deixarmos os elétrons saírem?' ", Disse Segev.

Em dispositivos de divisão de água, a superfície frontal é geralmente dedicada à produção de combustíveis solares, e a superfície posterior serve como uma tomada elétrica. Para contornar as limitações do sistema convencional, eles adicionaram um contato elétrico adicional à superfície posterior do componente de silício, resultando em um dispositivo HPEV com dois contatos na parte traseira em vez de apenas um. A saída traseira extra permitiria que a corrente fosse dividida em duas, para que uma parte da corrente contribua para a geração de combustíveis solares, e o resto pode ser extraído como energia elétrica.

Quando o que você vê é o que você obtém

Depois de executar uma simulação para prever se o HPEC funcionaria conforme projetado, eles fizeram um protótipo para testar sua teoria. "E para nossa surpresa, funcionou! ", disse Segev." Na ciência, você nunca tem certeza se tudo vai funcionar, mesmo que as simulações de seu computador digam que sim. Mas também é isso que o torna divertido. Foi ótimo ver nossos experimentos validar as previsões de nossas simulações. "

De acordo com seus cálculos, um gerador solar de hidrogênio convencional baseado em uma combinação de vanadato de silício e bismuto, um material que é amplamente estudado para separação solar de água, geraria hidrogênio com uma eficiência solar para hidrogênio de 6,8%. Em outras palavras, de toda a energia solar incidente que atinge a superfície de uma célula, 6,8 por cento serão armazenados na forma de combustível de hidrogênio, e todo o resto está perdido.

Em contraste, as células HPEV coletam elétrons remanescentes que não contribuem para a geração de combustível. Em vez disso, esses elétrons residuais são usados ​​para gerar energia elétrica, resultando em um aumento dramático na eficiência geral de conversão de energia solar, disse Segev. Por exemplo, de acordo com os mesmos cálculos, os mesmos 6,8 por cento da energia solar podem ser armazenados como combustível de hidrogênio em uma célula HPEV feita de vanadato de bismuto e silício, e outros 13,4 por cento da energia solar podem ser convertidos em eletricidade. Isso permite uma eficiência combinada de 20,2 por cento, três vezes melhor do que as células solares convencionais de hidrogênio.

Os pesquisadores planejam continuar sua colaboração para que possam estudar o uso do conceito HPEV para outras aplicações, como a redução das emissões de dióxido de carbono. "Este foi realmente um esforço de grupo em que pessoas com muita experiência puderam contribuir, "acrescentou Segev." Depois de um ano e meio trabalhando juntos em um processo bastante tedioso, foi ótimo ver nossos experimentos finalmente funcionando. "