Un nuevo tipo de panel solar, desarrollado en la Universidad de Michigan (UM)****, ha logrado un 9% de eficacia en la conversión de agua en hidrógeno y oxígeno, imitando un paso crucial de la fotosíntesis natural. Al aire libre, representa un gran salto tecnológico, casi 10 veces más eficiente que los experimentos solares de este tipo para dividir el agua.
Pero la mayor ventaja es la reducción del coste del hidrógeno sostenible. Esto se consigue reduciendo el tamaño del semiconductor, que suele ser la parte más cara del dispositivo. El semiconductor autorregenerable del equipo resiste una luz concentrada equivalente a 160 soles.
En la actualidad, el ser humano produce hidrógeno a partir del combustible fósil metano, para lo que utiliza una gran cantidad de energía fósil. Sin embargo, las plantas obtienen átomos de hidrógeno del agua a partir de la luz solar. A medida que la humanidad intenta reducir sus emisiones de carbono, el hidrógeno resulta atractivo como combustible independiente y como componente de combustibles sostenibles fabricados con dióxido de carbono reciclado. Asimismo, es necesario para muchos procesos químicos, como la producción de fertilizantes.
"Al final, creemos que los dispositivos de fotosíntesis artificial serán mucho más eficientes que la fotosíntesis natural, lo que proporcionará un camino hacia la neutralidad del carbono", afirma Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM que dirigió el estudio publicado en Nature.
Dos avances importantes
El extraordinario resultado se debe a dos avances. El primero es la capacidad de concentrar la luz solar sin destruir el semiconductor que la aprovecha. "Hemos reducido el tamaño del semiconductor en más de 100 veces en comparación con algunos semiconductores que sólo funcionan a baja intensidad luminosa", explica Peng Zhou, investigador de la UM en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio. "El hidrógeno producido con nuestra tecnología podría ser muy barato".
Y la segunda consiste en utilizar tanto la parte de mayor energía del espectro solar para dividir el agua como la parte de menor energía para proporcionar el calor que favorece la reacción. La magia es posible gracias a un catalizador semiconductor que se mejora a sí mismo con el uso, resistiendo la degradación que suelen experimentar estos catalizadores cuando aprovechan la luz solar para impulsar reacciones químicas.
Además de soportar altas intensidades de luz, puede prosperar a temperaturas elevadas, un castigo para los semiconductores informáticos. Las altas temperaturas aceleran el proceso de división del agua, y el calor adicional también favorece que el hidrógeno y el oxígeno permanezcan separados en lugar de renovar sus enlaces y formar agua de nuevo. Ambos factores ayudaron al equipo a obtener más hidrógeno.
Para el experimento al aire libre, Zhou instaló una lente del tamaño de una ventana para enfocar la luz solar sobre un panel experimental de unos pocos centímetros de diámetro.
El catalizador
Dentro del panel, el catalizador semiconductor se cubrió con una capa de agua que burbujeaba con los gases de hidrógeno y oxígeno que separaba.
El catalizador está formado por nanoestructuras de nitruro de indio y galio cultivadas sobre una superficie de silicio. Esta oblea semiconductora capta la luz y la convierte en electrones libres y huecos (espacios con carga positiva que quedan cuando la luz libera electrones). Las nanoestructuras están salpicadas de bolas metálicas a escala nanométrica, de 1/2000 de milímetro de diámetro, que utilizan esos electrones y huecos para ayudar a dirigir la reacción.
Una simple capa aislante sobre el panel mantiene la temperatura a unos agradables 75 grados Celsius, o 167 grados Fahrenheit, lo suficientemente caliente como para favorecer la reacción y lo suficientemente fría como para que el catalizador semiconductor funcione bien. La versión exterior del experimento, con luz solar y temperatura menos fiables, consiguió un 6,1% de eficacia en la transformación de la energía solar en hidrógeno. Sin embargo, en interiores, el sistema alcanzó una eficiencia del 9%.
Los próximos retos a los que se enfrenta el equipo son mejorar aún más la eficiencia y conseguir hidrógeno de pureza ultra alta que pueda introducirse directamente en las pilas de combustible.
manuel vidal
09/01/2023