La siglas HPEV corresponen a «Hybrid PhotoElectrochemical and Voltaic», una nueva célula artificial capaz de replicar la fotosíntesis. El éxito de este nuevo dispositivo es ser capaz de transformar la luz solar y el agua en dos tipos de energía al mismo tiempo: en hidrógeno y electricidad a la vez.
En la continua investigación de fuentes de energía renovables, limpias e inagotables, como alternativa energética a los contaminantes y no renovables combustibles fósiles, los científicos han tratado de captar la energía del sol a través de la denominada «división del agua»: una técnica de fotosíntesis artificial basada en aprovechar la luz del sol para generar combustible de hidrógeno a partir del agua. Pero los distintos dispositivos de separación de agua aún no han alcanzado un resultado óptimo porque todavía no hay un diseño para materiales con la combinación correcta de propiedades ópticas, eléctricas y químicas necesarias para que funcionen de manera eficiente.
La mayoría de los dispositivos de separación 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 energéticas de luz infrarroja hasta longitudes de onda más energéticas 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 oxígeno y combustible de hidrógeno. Pero según Gideon Segev, investigador postdoctoral en el «Joint Center for Artificial Photosynthesis» (JCAP), en la División de Ciencias Químicas del «U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory» (Berkeley Lab) y autor principal del estudio, el problema con esta configuración es que a pesar de que las células solares de silicio pueden generar electricidad muy cerca de su límite, su potencial de alto rendimiento es comprometidos cuando son 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 genera, menos combustible solar puede producir
«Es como correr siempre un auto en la primera marcha», ha dicho Segev. «Esta es la energía que podría cosechar, pero debido a que el silicio no actúa en su punto de máxima potencia, la mayoría de los electrones excitados en el silicio no tienen a dónde ir, por lo que pierden su energía antes de ser utilizados para realizar un trabajo útil».
Para evitar las limitaciones del sistema convencional, los investigadores agregaron un contacto eléctrico adicional a la superficie posterior del componente de silicio, lo que dio como resultado un dispositivo HPEV con dos contactos en la parte posterior en lugar de solo uno. La salida posterior adicional permitiría que la corriente se divida en dos, de modo que una parte de la corriente contribuya a la generación de combustibles solares, y el resto se pueda extraer como energía eléctrica.
Después de ejecutar una simulación para predecir si la HPEV funcionaría como fue diseñada, hicieron un prototipo para probar su teoría. «Y para nuestra sorpresa, ¡funcionó!», dijo Segev. “En ciencia, nunca estás realmente seguro de que todo vaya a funcionar, incluso si las simulaciones de tu computadora dicen que lo harán. Pero eso es también lo que lo hace divertido. Fue genial ver nuestros experimentos validar las predicciones de nuestras simulaciones «.
De acuerdo con sus cálculos, un generador de hidrógeno solar convencional basado en una combinación de silicio y bismuto vanadato, un material ampliamente estudiado para la división de agua solar, generaría hidrógeno con una eficiencia solar de hidrógeno del 6.8 por ciento. En otras palabras, de toda la energía solar incidente que golpea la superficie de una célula, 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 electrones sobrantes que no contribuyen a la generación de combustible. Estos electrones residuales, en cambio, se utilizan para generar energía eléctrica, lo que resulta en un aumento espectacular en la eficiencia de conversión de la energía solar en general, dijo Segev. Por ejemplo, según los mismos cálculos, el mismo 6.8 por ciento de la energía solar se puede almacenar 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 se puede convertir en electricidad . Esto permite una eficiencia combinada de 20.2 por ciento, tres veces mejor que las células de hidrógeno solar convencionales.
Los investigadores planean continuar su colaboración para poder utilizar el concepto HPEV para otras aplicaciones, como reducir las emisiones de dióxido de carbono. «Este fue verdaderamente un esfuerzo grupal donde 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 unen».
Los detalles que describen todo este trabajo de investigación se publicaron en el portal Nature Materials el pasado 29 de octubre de 2018.