(PhysOrg.com) -- Una nuova strategia per l'ingegneria dei materiali semiconduttori può aumentare le prestazioni delle celle solari a scissione dell'acqua per la produzione di idrogeno, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università della California, Santa Cruz.

L'uso della luce solare per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno è potenzialmente un modo pulito e sostenibile per generare idrogeno per i veicoli a celle a combustibile. Le celle fotovoltaiche utilizzano l'energia solare per generare elettricità, e l'elettricità può essere utilizzata per dividere l'acqua mediante elettrolisi. Ma un approccio più diretto ed efficiente è fornito dalle celle fotoelettrochimiche (PEC), che utilizzano l'energia solare per generare idrogeno all'interno della cella stessa.

I ricercatori dell'UCSC si sono concentrati sul materiale semiconduttore utilizzato come anodo che assorbe la luce nella cella PEC. Hanno combinato due tecniche, chiamate drogaggio elementare e sensibilizzazione a punti quantici, che sono state utilizzate per migliorare le prestazioni dei semiconduttori di ossido di metallo nelle celle solari. Queste tecniche utilizzano la nanotecnologia per manipolare la struttura di un materiale sulla scala dei miliardesimi di metro.

Lavoro precedente nel laboratorio di Jin Zhang, professore di chimica e biochimica all'UCSC, dimostrato che questa combinazione di tecniche ha un effetto sinergico, migliorando notevolmente le prestazioni delle celle fotovoltaiche (vedi articolo precedente). Nel nuovo studio, Zhang ha collaborato con Yat Li, professore assistente di chimica e biochimica, per testare la stessa strategia in una cella PEC.

"Il doping elementare e la sensibilizzazione dei punti quantici sono due tecniche diverse che funzionano bene da sole. Abbiamo scoperto che possiamo combinarle per ottenere un effetto sinergico, Li ha detto. "Non abbiamo solo esteso questa idea a una cella fotoelettrochimica per la generazione di idrogeno, abbiamo anche proposto un nuovo modello per spiegare i dati sperimentali osservati".

Zhang ha notato che è necessario più lavoro teorico per comprendere appieno i meccanismi coinvolti. "Comprendere i meccanismi ci permetterà di ottimizzare gli effetti, " ha detto. "Il modello che abbiamo proposto nel primo documento era molto preliminare, ma i nuovi risultati ci hanno aiutato a perfezionare il nostro modello".

I ricercatori hanno riportato i loro risultati sulla rivista Nano lettere in un articolo pubblicato online il 25 gennaio. Gli autori principali del documento erano Jennifer Hensel, uno studente laureato nel laboratorio di Zhang, e Gongming Wang, uno studente laureato nel laboratorio di Li.

I ricercatori hanno sintetizzato film sottili di nanoparticelle di biossido di titanio, così come array di nanofili di biossido di titanio allineati verticalmente in un film sottile su un substrato. I film di biossido di titanio sono stati drogati con azoto, e nanoparticelle di seleniuro di cadmio sono state utilizzate per la sensibilizzazione dei punti quantici. I materiali compositi nanostrutturati risultanti sono stati quindi utilizzati come fotoanodi in una cella PEC per confrontare le loro prestazioni in esperimenti attentamente controllati.

I risultati sono un'importante dimostrazione del potenziale per migliorare le prestazioni delle celle fotoelettrochimiche, così come celle solari fotovoltaiche, utilizzando materiali accuratamente progettati, ha detto Zhang. "La chiave è che combinare diversi approcci in modo razionale può aumentare significativamente le prestazioni, " Egli ha detto.