CÉLULA HÍBRIDA CON DOBLE FUNCIÓN APLICABLE A LAS RENOVABLES

El desarrollo de la célula fotoeléctrica y voltaica híbrida, es capaz de convertir la luz solar y el agua en dos tipos de energía: combustible de hidrógeno y electricidad.

Energía Solar

La fotosíntesis artificial representa una de las principales alternativas para la producción de hidrógeno para celdas de combustible. De esta manera, logran dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, aunque la eficiencia no siempre es la más óptima.

La mayoría de los dispositivos de separación de agua están hechos de una pila de materiales que absorben la luz. Dependiendo de su composición, cada capa absorbe diferentes partes o longitudes de onda del espectro solar, que van desde longitudes de onda menos energéticas de luz infrarroja hasta longitudes de onda más energéticas de luz visible o ultravioleta.

Cuando cada capa absorbe luz, genera un voltaje eléctrico. Estos voltajes individuales se combinan en un voltaje lo suficientemente grande como para dividir el agua en oxígeno y combustible de hidrógeno.

Pero según Gideon Segev, investigador postdoctoral en Berkeley Lab y el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificiales (JCAP) de la División de Ciencias Químicas, el problema con esta configuración es que aunque las células solares de silicio pueden generar electricidad muy cerca de su límite, su potencial de alto rendimiento es comprometido cuando forman parte de un dispositivo de división de agua.

Planteada la situación, se aproxima a la solución

Segev explica que como el silicio no actúa en su punto de máxima potencia, la mayoría de los electrones excitados en el silicio no tienen a dónde ir, por lo que pierden su energía antes de ser utilizados para realizar un trabajo útil. Ante esa problemática, el equipo de investigación propuso una sencilla solución: dejar salir los electrones, incorporando un nuevo contacto eléctrico en la zona posterior del componente basado en silicio presente en el dispositivo.

De esta manera, dividieron la corriente generada por la luz del sol, haciendo posible que una parte de la corriente dividiera también el agua en oxígeno e hidrógeno, mientras que otras partes fuesen capturadas en forma de electricidad. El nuevo dispositivo fue bautizado como Célula Híbrida Fotoelectroquímica y Voltaica (HPEV, por sus siglas en inglés).

Las células HPEV desarrolladas por los investigadores recolectan electrones sobrantes que no contribuyen a la generación de combustible. Estos electrones residuales, en cambio, se utilizan para generar energía eléctrica, lo que resulta en un notable incremento de la eficiencia de conversión de la energía solar en general, señaló Segev.

Celda
La salida posterior adicional de la celda HPEV permite la división de la corriente en dos, de modo que una parte de la corriente contribuya a la generación de combustibles solares y el resto se pueda extraer como energía eléctrica.

Cuando el resultado es lo esperado

Después de ejecutar una simulación para predecir si la HPEV funcionaría como fue diseñada, hicieron un prototipo para probar su teoría. “Y para nuestra sorpresa, ¡funcionó!”, dijo Segev. “En ciencia, nunca estás realmente seguro de que todo vaya a funcionar, incluso si las simulaciones de tu computadora dicen que lo harán. Pero eso es también lo que lo hace divertido. Fue genial ver que nuestros experimentos validan las predicciones de nuestras simulaciones”, agregó.

De acuerdo con sus cálculos, un generador de hidrógeno solar convencional basado en una combinación de silicio y bismuto vanadato, un material ampliamente estudiado para la división de agua solar, generaría hidrógeno con una eficiencia solar a hidrógeno de 6,8 por ciento. En otras palabras, de toda la energía solar incidente que golpea la superficie de una célula, el 6,8 por ciento se almacenará en forma de combustible de hidrógeno, y todo el resto se perderá.

En contraste, las células HPEV recolectan electrones sobrantes que no contribuyen a la generación de combustible. Estos electrones residuales se usan en cambio para generar energía eléctrica, lo que resulta en un aumento dramático en la eficiencia de conversión de la energía solar en general, indicó Segev. Por ejemplo, según los mismos cálculos, el mismo 6,8 por ciento de la energía solar se puede almacenar como combustible de hidrógeno en una celda HPEV hecha de vanadato de bismuto y silicio, y otro 13,4 por ciento de la energía solar se puede convertir en electricidad. Esto permite una eficiencia combinada de 20.2 por ciento, tres veces mejor que las células de hidrógeno solar convencionales.

Los investigadores planean continuar su colaboración para poder utilizar el concepto HPEV para otras aplicaciones, como reducir las emisiones de dióxido de carbono.

“Este fue verdaderamente un esfuerzo grupal donde personas con mucha experiencia pudieron contribuir”, destacó Segev, y agregó: “Después de un año y medio de trabajar juntos en un proceso bastante tedioso, fue genial ver que nuestros experimentos finalmente se hacen visibles”.

Más información: www.lbl.gov

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