La eficiencia fotoelectroquímica de separación de agua alcanza el 4,5%.
La separación fotoelectroquímica (PEC) del agua para la generación de combustible de hidrógeno ha sido considerada el Santo Grial de la electroquímica. Pero para lograrlo, muchos científicos creen que los materiales tienen que ser abundantes y de bajo costo.
Tándem PEC-PV basado en fotocátodo de Cu2O que ofrece una eficiencia de 4,55% de energía solar a hidrógeno.
P. Linfeng/EPFL
Los fotocátodos de óxido más prometedores son los fotoelectrodos de óxido cuproso (Cu2O). En 2018 y 2019, los investigadores de la EPFL lograron un rendimiento de campeonato con el óxido cuproso, compitiendo con los fotocátodos fotovoltaicos (PV) basados en semiconductores.
Pero todavía faltaba una pieza del rompecabezas. Incluso los fotocátodos de Cu2O de última generación siguen utilizando contactos metálicos posteriores (cobre u oro), lo que permite una considerable recombinación de los orificios de los electrones. Otras desventajas incluyen el alto costo y que el contacto de metal no permitirá el paso de la luz solar no absorbida.
Ahora, los científicos de la EPFL muestran por primera vez, que el tiocianato de cobre (CuSCN) puede ser usado como una capa transparente y efectiva de transporte de agujeros (HTL) para fotocátodos de Cu2O con un rendimiento global mejorado. La investigación fue dirigida por los profesores Anders Hagfeldt, Michael Grätzel y Kevin Sivula en el Instituto de Ciencias Químicas e Ingeniería de la EPFL.
El análisis detallado de dos tipos de CuSCN mostró que una estructura defectuosa podría ser beneficiosa para la conducción de los agujeros. Además, debido a la alineación coincidente entre las bandas de valencia de CuSCN y Cu2O, se descubrió que el transporte de agujeros asistido por estados de cola de banda en CuSCN permite una conducción suave del agujero mientras que bloquea eficientemente el transporte de electrones.
Las ventajas ópticas del CuSCN se mostraron además a través de un tándem PEC-PV autónomo que ofrece una eficiencia de energía solar a hidrógeno del 4,55%. Esta eficiencia (4,55% para 12 h) es actualmente la más alta entre todos los tándems de absorción doble basados en Cu2O.
El estudio presenta un claro e impresionante avance más allá de los fotocátodos de Cu2O de última generación, que puede contribuir e inspirar el desarrollo futuro en el campo.
"Aunque en este trabajo se alcanzan cifras máximas con el material de óxido, creemos que los valores más altos no están lejos", dice Pan Lingfeng, el primer autor del trabajo. "Al menos tres aspectos no son óptimos, pero mejorarlos es muy factible. El valor de la eficiencia se está acercando cada vez más al que antes se pensaba que era el umbral de la comercialización".
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