NREL y Berkeley Lab ofrecen métodos para mejorar la eficiencia y la estabilidad en la división solar del agua para producir hidrógeno

Científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) están brindando a los investigadores una guía sobre cómo medir mejor la eficiencia de producir hidrógeno directamente a partir de la energía solar.****

La división de agua fotoelectroquímica (PEC), que depende de la luz solar para dividir el agua en sus elementos componentes (oxígeno e hidrógeno), se destaca como una de las rutas potencialmente más sostenibles hacia la energía limpia. Sin embargo, las mediciones de cuán eficiente es el proceso PEC en un sistema idéntico pueden variar enormemente de diferentes laboratorios debido a la falta de métodos estandarizados. La guía de mejores prácticas desarrollada recientemente y publicada en Frontiers in Energy Research tiene como objetivo brindar confianza al comparar los resultados obtenidos en diferentes sitios y por diferentes grupos.

La publicación proporciona una hoja de ruta para la comunidad PEC a medida que los investigadores continúan afinando la tecnología. Estas mejores prácticas fueron verificadas por ambos laboratorios a través de pruebas por turnos utilizando el mismo hardware de prueba, fotoelectrodos PEC y procedimientos de medición. La investigación en energía fotovoltaica ha permitido una certificación de la eficiencia de las células, pero las mediciones de eficiencia de división de agua de PEC aún no tienen un protocolo ampliamente aceptado.

"Es realmente difícil comparar los resultados de eficiencia de división de agua PEC informados entre laboratorios, porque las personas tienden a realizar mediciones en diferentes condiciones", dijo Todd Deutsch, científico principal de NREL y coautor del nuevo artículo de revista, "_ Mejores prácticas en PEC: Cómo medir de manera confiable la eficiencia de energía solar a hidrógeno de los fotocátodos_ ”. "El Departamento de Energía reconoció esto hace un tiempo, por lo que ha habido bastantes esfuerzos para establecer estándares en los que hemos estado involucrados: esfuerzos de colaboración de múltiples laboratorios y también esfuerzos específicos de NREL".

Guía para investigadores

"La motivación de este documento de protocolo era tanto servir como una guía para los investigadores que recién ingresaban al campo como describir sugerencias técnicas sutiles para científicos más experimentados", dijo Francesca Toma, científica del personal de materiales en Berkeley Lab y coautora de el artículo de la revista. "Aprovechamos las fortalezas únicas de dos laboratorios nacionales que juntos abarcan los ámbitos de la ciencia básica a la aplicada".

El artículo detalla el camino para que todos los laboratorios puedan seguir una uniformidad de prácticas experimentales, comenzando por los materiales necesarios para la fabricación de fotoelectrodos. Los autores continúan detallando el procedimiento de fabricación, la configuración experimental y el proceso para medir la eficiencia de energía solar a hidrógeno (STH). Se requiere la medición directa de la cantidad de hidrógeno generado por la división del agua PEC para una caracterización precisa de la eficiencia de STH, anotaron los investigadores.

La división de agua de PEC se observó por primera vez en publicaciones científicas en 1972. Desde entonces, la investigación ha continuado para mejorar el proceso, pero hasta ahora no se han establecido procedimientos estandarizados de medición de STH. NREL estableció el primer récord de eficiencia STH superior al 10 % (12,4 % STH) en 1998, pero en 2016 revisó esa cifra a la baja en una publicación que describía las trampas comunes que se deben evitar al realizar mediciones de eficiencia, después de darse cuenta de que el experimento original había sido sobreiluminado. En 2017, el equipo utilizó ingeniería de banda prohibida para diseñar absorbedores de luz más optimizados para utilizar el espectro solar, lo que resultó en un STH más alto del 16,2 %, un nuevo récord mundial en ese momento.

La Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible e Hidrógeno del Departamento de Energía de EE. UU. ha establecido el 25 % como objetivo final para STH a través de la división de agua de PEC, aunque el análisis preliminar de costos sugiere que se podría lograr hidrógeno a un costo competitivo con eficiencias más bajas. Los fotoelectrodos han demostrado eficiencias del 10% al 20%.

Los investigadores de PEC también continúan trabajando en mejoras a la durabilidad. El semiconductor utilizado para capturar la luz solar se sumerge en un electrolito acuoso (a base de agua). Pero con un pH del electrolito que varía de ácido a alcalino, el electrolito corroe el semiconductor y acorta su vida útil. “La durabilidad sigue siendo bastante espectacular para esta tecnología”, dijo Deutsch. “Ha habido algún progreso, pero no tanto como recientemente en la mejora de la eficiencia”.

Deutsch es coautor de un nuevo artículo, también en_ Frontiers in Energy Research_ , sobre "Métricas de estabilidad a largo plazo de la división fotoelectroquímica del agua" que describe el logro de la división del agua PEC simultánea, altamente eficiente y estable, sin asistencia, como el "Santo Grial" en agua limpia en generación de combustibles renovables. Ese documento proporciona un marco para realizar experimentos de estabilidad a largo plazo con la esperanza de lograr una estabilidad ultra alta (que dure más de 10 000 horas) y una eficiencia superior al 15 %.