Los investigadores han encontrado una manera de potenciar el "motor" de la generación de combustible sostenible, dándole un pequeño giro a los materiales. Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge (Reino Unido), están desarrollando semiconductores captadores de luz de bajo costo que alimentan dispositivos para convertir agua en combustible limpio de hidrógeno, utilizando sólo la energía del sol.
Estos materiales semiconductores, conocidos como óxidos de cobre, son baratos, abundantes y no tóxicos, pero su rendimiento no se acerca al del silicio, que domina el mercado de semiconductores.
Sin embargo, los investigadores descubrieron que al hacer crecer los cristales de óxido de cobre en una orientación específica para que las cargas eléctricas se muevan a través de los cristales en diagonal, las cargas se mueven mucho más rápido y más lejos, mejorando enormemente el rendimiento.
Las pruebas de un captador de luz de óxido de cobre, o fotocátodo, basadas en esta técnica de fabricación mostraron una mejora del 70 % con respecto a los fotocátodos de óxido de última generación existentes, al tiempo que mostraron una estabilidad muy mejorada.
Los investigadores dicen que sus resultados, publicados en la revista 'Nature' , muestran cómo se podrían perfeccionar los materiales de bajo costo para impulsar la transición desde los combustibles fósiles hacia combustibles limpios y sostenibles que puedan almacenarse y utilizarse con la infraestructura energética existente.
El óxido de cobre (I), u óxido cuproso, se ha promocionado durante años como un posible sustituto económico del silicio, ya que es razonablemente eficaz para capturar la luz solar y convertirla en carga eléctrica. Sin embargo, gran parte de esa carga tiende a perderse, lo que limita el rendimiento del material.
"Al igual que otros semiconductores de óxido, el óxido cuproso tiene sus desafíos intrínsecos", insiste el coautor principal, el doctor Linfeng Pan, del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de Cambridge, en un comunicado: "Uno de esos desafíos es el desajuste entre la profundidad con la que se absorbe la luz y la distancia que viajan las cargas dentro del material, por lo que la mayor parte del óxido debajo de la capa superior del material es esencialmente espacio muerto".
"En la mayoría de los materiales de células solares, son los defectos en la superficie del material los que causan una reducción en el rendimiento, pero con estos materiales de óxido ocurre al revés: la superficie es en gran medida fina, pero algo en el volumen conduce a pérdidas", añade por su parte el profesor Sam Stranks , quien dirigió la investigación: "Esto significa que la forma en que se cultivan los cristales es vital para su rendimiento".
Investigadores de la Universidad de Cambridge están desarrollando semiconductores captadores de luz de bajo costo que alimentan dispositivos para convertir agua en combustible limpio de hidrógeno, utilizando sólo la energía del sol
Para desarrollar óxidos cuprosos hasta el punto de que puedan ser un competidor creíble de los materiales fotovoltaicos establecidos, es necesario optimizarlos para que puedan generar y mover de manera eficiente cargas eléctricas (hechas de un electrón y un "agujero" de electrones con carga positiva) cuando la luz solar los golpea.
Un posible método de optimización son las películas delgadas monocristalinas: láminas muy finas de material con una estructura cristalina muy ordenada, que se utilizan a menudo en electrónica. Sin embargo, realizar estas películas suele ser un proceso complejo y que requiere mucho tiempo.
Utilizando técnicas de deposición de películas finas, los investigadores pudieron cultivar películas de óxido cuproso de alta calidad a presión y temperatura ambiente. Al controlar con precisión el crecimiento y las tasas de flujo en la cámara, pudieron "desplazar" los cristales hacia una orientación particular. Luego, utilizando técnicas espectroscópicas de alta resolución temporal, pudieron observar cómo la orientación de los cristales afectaba la eficiencia con la que se movían las cargas eléctricas a través del material.
"Estos cristales son básicamente cubos, y descubrimos que cuando los electrones se mueven a través del cubo en una diagonal del cuerpo, en lugar de a lo largo de la cara o el borde del cubo, se mueven un orden de magnitud más", afirma Pan. "Cuanto más se muevan los electrones, mejor será el rendimiento".
"Hay algo en esa dirección diagonal en estos materiales que es mágico", relata Stranks. "Necesitamos seguir trabajando para entender completamente por qué y optimizarlo aún más, pero hasta ahora ha resultado en un gran salto en el rendimiento". Las pruebas de un fotocátodo de óxido cuproso fabricado con esta técnica mostraron un aumento en el rendimiento de más del 70 % con respecto a los fotocátodos de óxido electrodepositado de última generación existentes.
"Además del rendimiento mejorado, descubrimos que la orientación hace que las películas sean mucho más estables, pero pueden estar en juego factores más allá de las propiedades generales", matiza Pan.
Los investigadores dicen que aún se necesita mucha más investigación y desarrollo, pero esta y otras familias de materiales relacionadas podrían tener un papel vital en la transición energética. "Todavía queda un largo camino por recorrer, pero estamos en una trayectoria emocionante", concluye Stranks. "Hay mucha ciencia interesante que puede surgir de estos materiales, y es interesante para mí conectar la física de estos materiales con su crecimiento, cómo se forman y, en última instancia, cómo se desempeñan".
