Hidrógeno solar: Mejores fotoelectrodos mediante calentamiento rápido
"El calor reduce eficazmente los defectos estructurales, los estados trampa, los límites de grano y las impurezas de fase"
Producir películas finas de óxido metálico de bajo coste con una alta calidad electrónica para la división solar del agua no es una tarea fácil. Sobre todo porque la mejora de la calidad de las películas finas de óxido metálico superiores requiere un procesamiento térmico a altas temperaturas, que fundiría el sustrato de vidrio subyacente. Ahora, un equipo del HZB-Instituto de Combustibles Solares ha resuelto este dilema: un pulso de luz rápido y de alta intensidad calienta directamente la película delgada semiconductora de óxido metálico, lo que permite alcanzar las condiciones óptimas de calentamiento sin dañar el sustrato.
Deposición láser pulsada: Un intenso pulso láser incide sobre un blanco que contiene el material, transformándolo en un plasma que se deposita como una fina película sobre un sustrato.
© R. Gottesman/HZB
La energía solar puede impulsar directamente las reacciones electroquímicas en la superficie de los fotoelectrodos. Los fotoelectrodos consisten en películas finas semiconductoras sobre sustratos transparentes de vidrio conductor que convierten la luz en electricidad. La mayoría de los estudios fotoelectroquímicos se han centrado en la división del agua, una reacción termodinámicamente ascendente que podría ofrecer una vía atractiva para la captura y el almacenamiento a largo plazo de la energía solar mediante la producción de hidrógeno "verde".
Los fotoelectrodos de película fina de óxido metálico son especialmente interesantes para estas diversas funciones. Se componen de elementos abundantes, que ofrecen una infinita capacidad de ajuste para conseguir las propiedades deseadas, a un coste potencialmente bajo.
Hecho de plasma
En el Instituto HZB de Combustibles Solares, varios equipos se centran en el desarrollo de estos fotoelectrodos. El método habitual para producirlos es la deposición láser pulsada: un pulso láser intenso golpea un blanco que contiene el material y lo ablaciona en un plasma altamente energético depositado sobre un sustrato.
La calidad necesita calor
Para mejorar la calidad de la película fina depositada se necesitan otros pasos. En particular, el procesamiento térmico de la película fina de óxido metálico reduce los defectos e imperfecciones. Sin embargo, esto crea un dilema: la reducción de la concentración de defectos atómicos y la mejora del orden cristalino de las películas finas de óxido metálico requerirían temperaturas de procesamiento térmico de entre 850 y 1000 grados Celsius, pero el sustrato de vidrio se funde ya a 550 grados Celsius.
Calentamiento rápido de la película fina
El Dr. Ronen Gottesman, del Instituto HZB de Combustibles Solares, ha resuelto este problema: después de la deposición, utiliza lámparas de alta potencia para calentar la película fina de óxido metálico. Esto la calienta hasta 850 grados Celsius sin fundir el sustrato de vidrio subyacente.
"El calor reduce eficazmente los defectos estructurales, los estados trampa, los límites de grano y las impurezas de fase, que serían más difíciles de mitigar con un número creciente de elementos en los óxidos metálicos. Por tanto, es esencial adoptar nuevos enfoques de síntesis innovadores. Ahora lo hemos demostrado en fotoelectrodos de Ta2O5, TiO2 y WO3, que hemos calentado a 850 °C sin dañar los sustratos", afirma Gottesman.
Rendimiento récord de α-SnWO4
El nuevo método también tuvo éxito con un material de fotoelectrodo que se considera un muy buen candidato para la división solar del agua: el α-SnWO4. El calentamiento convencional en el horno deja impurezas de fase. El calentamiento por procesamiento térmico rápido (RTP) mejoró la cristalinidad, las propiedades electrónicas y el rendimiento, lo que llevó a un nuevo récord de rendimiento de 1 mA/cm2 para este material, superior en un 25% al récord anterior.
"Esto también es interesante para la producción de puntos cuánticos o perovskitas de haluro, que también son sensibles a la temperatura", explica Gottesman.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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