L'idrogeno svolgerà un ruolo centrale come mezzo di stoccaggio nei sistemi energetici sostenibili. Un team internazionale di ricercatori è ora riuscito ad aumentare l'efficienza della produzione di idrogeno dalla scissione solare diretta dell'acqua a un record del 19%. Lo hanno fatto combinando una cella solare tandem di semiconduttori III-V con un catalizzatore di nanoparticelle di rodio e un rivestimento di biossido di titanio cristallino. Squadre del California Institute of Technology, l'Università di Cambridge, Technische Universität Ilmenau, e il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE hanno partecipato al lavoro di sviluppo. Una parte degli esperimenti ha avuto luogo presso l'Istituto per i combustibili solari nell'Helmholtz-Zentrum di Berlino.

Il fotovoltaico è un pilastro dei sistemi di fornitura di energia rinnovabile, e la luce del sole è abbondantemente disponibile in tutto il mondo, ma non 24 ore su 24. Una soluzione per affrontare questa generazione di energia fluttuante è immagazzinare la luce solare sotto forma di energia chimica, in particolare utilizzando la luce solare per produrre idrogeno. Questo perché l'idrogeno può essere immagazzinato in modo facile e sicuro, e utilizzato in molti modi:sia in una cella a combustibile per generare direttamente elettricità e calore, o come materia prima per la produzione di combustibili. Se combini celle solari con catalizzatori e strati funzionali aggiuntivi per formare un "fotoelettrodo monolitico" come un unico blocco, allora la scissione dell'acqua diventa particolarmente semplice:il fotocatodo è immerso in un mezzo acquoso e quando la luce cade su di esso, l'idrogeno si forma sul lato anteriore e l'ossigeno sul retro.

Strato anticorrosivo trasparente

Per il fotocatodo monolitico qui studiato, i team di ricerca hanno combinato strati funzionali aggiuntivi con una cella tandem altamente efficiente composta da semiconduttori III-V sviluppata presso Fraunhofer ISE. Ciò ha permesso loro di ridurre la riflettività superficiale della cella, evitando così notevoli perdite causate dall'assorbimento e dalla riflessione della luce parassita. "Qui sta anche l'innovazione", spiega il prof. Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, USA:"Perché avevamo già raggiunto un'efficienza di oltre il 14% per una cella precedente nel 2015, che all'epoca era un record mondiale. Qui abbiamo sostituito lo strato superiore anticorrosione con uno strato di biossido di titanio cristallino che non solo ha eccellenti proprietà antiriflesso, ma a cui aderiscono anche le particelle di catalizzatore." E il Prof. Harry Atwater, Caltech, aggiunge:"Inoltre, abbiamo anche utilizzato un nuovo processo elettrochimico per produrre le nanoparticelle di rodio che servono a catalizzare la reazione di scissione dell'acqua. Queste particelle hanno un diametro di soli dieci nanometri e sono quindi otticamente quasi trasparenti, rendendoli ideali per il lavoro."

Sotto la radiazione solare simulata, gli scienziati hanno raggiunto un'efficienza del 19,3 percento in acido perclorico acquoso diluito, pur raggiungendo il 18,5% in un elettrolita con pH neutro. Queste cifre si avvicinano all'efficienza massima teorica del 23% che può essere ottenuta con le proprietà elettroniche intrinseche per questa combinazione di strati.

"Lo strato cristallino di biossido di titanio non solo protegge la cella solare vera e propria dalla corrosione, ma ma migliora anche il trasporto di carica grazie alle sue vantaggiose proprietà elettroniche", dice il dottor Matthias May, che ha condotto parte degli esperimenti di determinazione dell'efficienza presso l'HZB Institute for Solar Fuels nel laboratorio precursore del Solar-Fuel Testing Facility della Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF). Il dato record ora pubblicato si basa sul lavoro che May aveva già iniziato come studente di dottorato presso l'HZB e per il quale è stato insignito del Premio di dottorato dell'Associazione Helmholtz per il campo della ricerca energetica nel 2016. "Siamo stati in grado di aumentare la vita operativa a quasi 100 ore. Si tratta di un notevole progresso rispetto ai sistemi precedenti che si erano già corrosi dopo 40 ore. Tuttavia, c'è ancora molto da fare", maggio spiega.

Questo perché è ancora fondamentale la ricerca sui piccoli, sistemi costosi in laboratorio. Però, i ricercatori sono ottimisti:"Questo lavoro mostra che le celle tandem su misura per la separazione diretta dell'acqua solare hanno il potenziale per raggiungere efficienze oltre il 20 percento. Un approccio per questo è quello di scegliere energie band-gap ancora migliori per i due materiali assorbenti in la cella tandem. E uno dei due potrebbe anche essere silicio", spiega il prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau. I team di Fraunhofer ISE e TU Ilmenau stanno lavorando per progettare celle che combinano semiconduttori III-V con silicio a basso prezzo, che potrebbe ridurre notevolmente i costi."