Alla ricerca dell'abbondanza, alternative rinnovabili ai combustibili fossili, scienziati hanno cercato di raccogliere l'energia del sole attraverso "la scissione dell'acqua, " una tecnica di fotosintesi artificiale che utilizza la luce solare per generare idrogeno dall'acqua. Ma i dispositivi per la scissione dell'acqua devono ancora essere all'altezza del loro potenziale perché non esiste ancora un design per i materiali con il giusto mix di ottica, elettronico, e le proprietà chimiche necessarie per il loro funzionamento efficiente.

Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e del Joint Center for Artificial Photosintesi (JCAP), un DOE Energy Innovation Hub, hanno escogitato una nuova ricetta per i combustibili rinnovabili che potrebbe aggirare le limitazioni dei materiali attuali:un dispositivo di fotosintesi artificiale chiamato "cella fotoelettrochimica ibrida e voltaica (HPEV)" che trasforma la luce solare e l'acqua in non solo una, ma due tipi di energia:idrogeno ed elettricità. Il documento che descrive questo lavoro è stato pubblicato il 29 ottobre in Materiali della natura .

Trovare una via d'uscita per gli elettroni

La maggior parte dei dispositivi di divisione dell'acqua sono costituiti da una pila di materiali che assorbono la luce. A seconda della sua composizione, ogni strato assorbe diverse parti o "lunghezze d'onda" dello spettro solare, che vanno da lunghezze d'onda meno energetiche della luce infrarossa a lunghezze d'onda più energetiche della luce visibile o ultravioletta.

Quando ogni strato assorbe la luce, crea una tensione elettrica. Queste singole tensioni si combinano in una tensione abbastanza grande da dividere l'acqua in ossigeno e idrogeno. Ma secondo Gideon Segev, un ricercatore post-dottorato presso JCAP nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab e autore principale dello studio, il problema con questa configurazione è che anche se le celle solari al silicio possono generare elettricità molto vicino al loro limite, il loro potenziale ad alte prestazioni è compromesso quando fanno parte di un dispositivo di scissione dell'acqua.

La corrente che passa attraverso il dispositivo è limitata da altri materiali nello stack che non funzionano altrettanto bene come il silicio, e come risultato, il sistema produce molta meno corrente di quanto potrebbe, e meno corrente genera, meno combustibile solare può produrre.

"È come guidare sempre un'auto in prima marcia, " disse Segev. "Questa è energia che potresti raccogliere, ma poiché il silicio non agisce al suo punto di massima potenza, la maggior parte degli elettroni eccitati nel silicio non ha un posto dove andare, così perdono la loro energia prima di essere utilizzati per fare un lavoro utile."

Scendere dalla prima marcia

Così Segev e i suoi coautori, Jeffrey W. Beeman, un ricercatore JCAP nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, e gli ex ricercatori del Berkeley Lab e JCAP Jeffery Greenblatt, che ora dirige la società di consulenza tecnologica con sede nella Bay Area Emerging Futures LLC, e Ian Sharp, ora professore di fisica sperimentale dei semiconduttori presso l'Università tecnica di Monaco in Germania, ha proposto una soluzione sorprendentemente semplice a un problema complesso.

"Abbiamo pensato, 'E se lasciassimo uscire gli elettroni?'", ha detto Segev.

Nei dispositivi di scissione dell'acqua, la superficie frontale è solitamente dedicata alla produzione di combustibili solari, e la superficie posteriore funge da presa elettrica. Per aggirare i limiti del sistema convenzionale, hanno aggiunto un ulteriore contatto elettrico alla superficie posteriore del componente in silicio, risultando in un dispositivo HPEV con due contatti nella parte posteriore invece di uno solo. L'uscita posteriore aggiuntiva consentirebbe di dividere la corrente in due, in modo che una parte della corrente contribuisca alla generazione di combustibili solari, e il resto può essere estratto come energia elettrica.

Quando quello che vedi è quello che ottieni

Dopo aver eseguito una simulazione per prevedere se l'HPEC funzionerebbe come previsto, hanno realizzato un prototipo per testare la loro teoria. "E con nostra sorpresa, ha funzionato!" disse Segev. "Nella scienza, non sei mai veramente sicuro che tutto funzionerà anche se le tue simulazioni al computer dicono che funzioneranno. Ma è anche questo che lo rende divertente. È stato fantastico vedere i nostri esperimenti convalidare le previsioni delle nostre simulazioni".

Secondo i loro calcoli, un convenzionale generatore di idrogeno solare basato su una combinazione di silicio e vanadato di bismuto, un materiale ampiamente studiato per la scissione solare dell'acqua, genererebbe idrogeno con un'efficienza da solare a idrogeno del 6,8%. In altre parole, di tutta l'energia solare incidente che colpisce la superficie di una cella, il 6,8 per cento sarà immagazzinato sotto forma di idrogeno, e tutto il resto è perduto.

In contrasto, le celle HPEV raccolgono gli elettroni rimanenti che non contribuiscono alla generazione di carburante. Questi elettroni residui vengono invece utilizzati per generare energia elettrica, con conseguente aumento drammatico dell'efficienza complessiva di conversione dell'energia solare, disse Segev. Per esempio, secondo gli stessi calcoli, lo stesso 6,8 percento dell'energia solare può essere immagazzinato come combustibile a idrogeno in una cella HPEV fatta di vanadato di bismuto e silicio, e un altro 13,4% dell'energia solare può essere convertito in elettricità. Ciò consente un'efficienza combinata del 20,2 percento, tre volte meglio delle tradizionali celle solari a idrogeno.

I ricercatori intendono continuare la loro collaborazione in modo da poter esaminare l'utilizzo del concetto HPEV per altre applicazioni come la riduzione delle emissioni di anidride carbonica. "Questo è stato davvero uno sforzo di gruppo in cui persone con molta esperienza hanno potuto contribuire, " ha aggiunto Segev. "Dopo un anno e mezzo di lavoro insieme su un processo piuttosto noioso, è stato fantastico vedere i nostri esperimenti finalmente realizzati".