Przekształcenie promieniowania słonecznego w inne formy energii jest sporym wyzwaniem. Opracowano kilka rodzajów ogniw słonecznych, różniących się zasadą przetwarzania dostarczanej energii. Wśród nich znalazło się także ogniwo fotoelektrochemiczne. Zasada jego działania przypomina proces fotosyntezy roślin – energia słoneczna przekształcana jest na energię chemiczną. Niestety, najbardziej efektywne półprzewodniki w układach fotoelektrochemicznych wykazywały się dużą niestabilnością. Naukowcy z EPFL (Politechniki Federalnej w Lozannie) opracowali sposób na ochronę warstwy półprzewodnika. To duży postęp w dziedzinie sztucznej fotosyntezy.
Ogniwa fotoelektrochemiczne (PEC) pozwalają na katalizę wody i wytwarzanie gazowego wodoru i tlenu. W tym wypadku pożądanym paliwem jest wodór. Dzieje się tak samoczynnie – elektrodą są półprzewodniki, które absorbują światło (energię), wytwarzają prąd i umożliwiają katalizę wody.
Adriana Paracchino i Elijah Thimsen (pod przewodnictwem prof. Michaela Grätzela), odkrywcy metody ochrony półprzewodnika, badali układ, w którym półprzewodnikiem był tlenek miedzi (I) Cu2O. Naświetlanie go prowadziło do wytwarzania prądu, który jest wymagany do reakcji katalizy wody. Jest to tani, ale nieskuteczny sposób na wytwarzanie wodoru – tlen w Cu2O jest niestabilny, jeśli jest eksponowany na światło w wilgotnym środowisku.
Problem rozwiązano poprzez ochronę półprzewodnika atomową nanowarstwą. Użyto do tego techniki osadzania powłoki atomowej (Atomic Layer Deposition – ALD).
Korzyści z zastosowania metody są bardzo duże: tlenek miedzi (I) jest powszechny i niedrogi; warstwa ochronna nieprzepuszczalna i niezależna od chropowatości powierzchni; a cały proces katalizy może być łatwo przeniesiony na skalę przemysłową.
Powłoka ochronna to warstwa tlenku cynku i tlenku tytanu o grubości jednego atomu. Osiągnięto to dzięki technice ALD, która pozwala kontrolować nanoszone powierzchnie z dokładnością do pojedynczego atomu. Ten poziom precyzji gwarantuje pełną stabilność reakcji w półprzewodniku i przez to – niezakłócaną produkcję wodoru.
Kolejnym krokiem w celu opracowania sztucznej fotosyntezy jest polepszenie własności elektrycznych warstwy ochronnej, jednak aktualne odkrycie stanowi już znaczne zbliżenie się do celu. Jest nim „zielona” fotoelektrochemiczna produkcja wodoru na skalę przemysłową.
Artykuł „Highly active oxide photocathode for photoelectrochemical water reduction” ukazał się 8 maja 2011 r. w czasopiśmie Nature Materials. Autorzy pracy to Adriana Paracchino, Vincent Laporte, Kevin Sivula, Michael Grätzel, Elijah Thimsen.
Źródło: École polytechnique fédérale de Lausanne