Luglio 6, 2022

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Una nuova famiglia di materiali per la produzione di idrogeno rinnovabile solare

L’uso dell’idrogeno come vettore energetico per produrre elettricità e calore su richiesta è una soluzione quasi ideale per lo stoccaggio di energia nel contesto della lotta al riscaldamento globale e dello sviluppo sostenibile, per i bisogni domestici, nei trasporti o su larga scala negli impianti di produzione di energia .

Infatti, con l’ossigeno nell’aria, l’idrogeno consente la produzione di energia termica o elettrica senza rilasciare emissioni inquinanti (principalmente acqua). È il caso, ad esempio, delle celle a combustibile utilizzate nei veicoli alimentati a idrogeno, che combinano idrogeno e ossigeno per produrre corrente elettrica e alimentare un motore elettrico.

Tuttavia, l’idrogeno in uso oggi è prodotto principalmente da combustibili fossili, e quindi è necessario trovare altri metodi di produzione a basse emissioni di carbonio. Una possibilità è utilizzare l’energia solare direttamente per produrre idrogeno dall’acqua nel fotovoltaico chimico. Queste celle sono costituite da fotoelettrodi, che sono tipi di celle solari immerse direttamente nell’acqua, che consentono di raccogliere l’energia solare e di utilizzare questa energia per scomporre le molecole d’acqua per formare molecole di idrogeno e ossigeno d.

nuovo approccio

Questo è l’approccio scelto dal nostro consorzio di scienziati di Rennes, con Nicolas Piertro e Yuan Leger (FOTON-CNRS Institute, INSA Rennes) e Bruno Fabre (Institute for Chemical Sciences of Rennes-CNRS, University of Rennes 1), e in collaborazione con i membri dell’Istituto di Fisica di Rennes – CNRS presso l’Università di Rennes 1.

Nel Lavoro appena pubblicato in revisione scienza avanzataProponiamo di utilizzare una nuova famiglia di materiali con straordinarie proprietà fotovoltaiche per produrre in modo efficiente idrogeno solare a basso costo e impatto ambientale. Questa proposta è accompagnata da diverse dimostrazioni di elettrodi solari fotovoltaici.

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I semiconduttori sono materiali con proprietà intermedie tra conduttori elettrici (spesso metalli) e isolanti. Queste proprietà possono essere utilizzate, ad esempio, per consentire o meno il passaggio di corrente elettrica a richiesta, come nel caso del silicio, materiale abbondante ed economico che costituisce la base di tutti i chip elettronici attuali.

Ma possono anche essere usati per emettere o assorbire luce, come nel caso dei cosiddetti semiconduttori “III-V” che trovano impiego in un’ampia gamma di applicazioni, dagli emettitori laser o LED e altri sensori ottici, alle celle solari fotovoltaiche per lo spazio. Si chiama “III-V” perché è costituito da uno o più elementi della colonna III e della colonna V della tavola periodica di Mendeleev.

Se questi materiali “III-V” sono molto efficaci, sono anche più costosi. In questo contesto, molti ricercatori hanno cercato sin dagli anni ’80 di depositare strati molto sottili di questi materiali su substrati di silicio per ottenere elevate prestazioni ottiche, necessarie per garantire, ad esempio, un buon assorbimento delle radiazioni in una cella solare, o per garantire un’efficienza ottica emissione nei laser, che riduce notevolmente i costi di produzione e l’impatto ambientale dei componenti sviluppati.

Uno dei problemi principali di questo approccio era legato all’insorgere di difetti cristallini nel materiale semiconduttore, cioè la presenza di uno o più atomi in una posizione sfavorevole rispetto alla disposizione perfettamente regolare che gli atomi del cristallo dovrebbero idealmente contenere. . Ciò ha degradato le prestazioni dei laser o delle celle solari così sviluppate, motivo per cui gli sforzi di ricerca si sono concentrati principalmente sulla riduzione o sull’eliminazione di questi inconvenienti.

Al contrario, il nostro team ha dimostrato che queste irregolarità nel cristallo, che di solito sono considerate difetti, hanno proprietà fisiche molto originali (impurità con un carattere metallico), che possono essere utilizzate efficacemente per la produzione di idrogeno solare e per altre applicazioni fotovoltaiche.

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caratteristiche sorprendenti

Il nostro lavoro dimostra quindi che la presenza di pareti antifase (l’abbreviazione “APB” usata nell’illustrazione), che sono difetti cristallini molto specifici che fluttuano localmente la disposizione degli atomi, in materiali III-V depositati su silicio, conferisce loro notevoli e proprietà fisiche senza precedenti. In particolare, mostriamo che queste pareti si comportano localmente (a livello atomico) come un’inclusione metallica, in un materiale che è esso stesso un semiconduttore.

(A sinistra): rappresentazione schematica di un elettrodo che combina uno strato sottile (solitamente 1 μm) di un semiconduttore III-V (rosa) e un substrato di Si (viola), che può essere utilizzato come elettrodo positivo o catodo. (Destra): I campioni prodotti (in alto) hanno una superficie di circa 20 cm² e vengono utilizzati per produrre fotoelettrodi (in basso), utilizzati in fotoelettrochimica.
Autore introdotto

Ciò consente al materiale di essere sia fotoattivo (assorbe la luce e la converte in cariche elettriche), sia localmente metallico (trasmette cariche elettriche). Ancora più sorprendentemente, il materiale può condurre sia cariche positive che negative (il carattere dipolo). In questo lavoro, viene presentato il proof of concept realizzando più elettrodi foto-III-V/Si (vedi figura allegata immagini) per la produzione di idrogeno solare, con prestazioni paragonabili ai migliori elettrodi convenzionali foto-III-V, ma ad un costo di produzione e impatto ambientale dovuto all’utilizzo di un supporto siliconico.

Attualmente, questi campioni hanno consentito di produrre idrogeno su scala cellulare di laboratorio, ma sembra ipotizzabile che se la stabilità di questi materiali viene migliorata, potrebbero, in futuro, essere utilizzati dal substrato per convertire l’energia solare in idrogeno su una scala più ampia.

Nuove funzionalità per nuove app

In questo studio, la presentazione degli elettrodi fotovoltaici per la produzione di idrogeno solare permette da un lato di comprendere meglio le proprietà del materiale, e dall’altro di validarne l’applicazione in un sistema funzionale. Ma, oltre a questa applicazione dimostrata, le proprietà intrinseche di questo nuovo gruppo di materiali, che possono essere sviluppati in modo molto semplice, consentono anche di prevedere molte altre applicazioni. La capacità del materiale di convertire in modo efficiente la luce in cariche elettriche lo rende, ad esempio, un candidato preferito per le celle solari fotovoltaiche o i sensori ottici. Le sue proprietà possono essere utilizzate per il trasferimento di carica elettrica e la conduzione anisotropa nell’elettronica e nell’informatica quantistica. Infine, i fenomeni fisici legati alla luce e alla corrente elettrica che si verificano su scala nanometrica, questo materiale può essere preso in considerazione anche per la considerazione di nuove architetture fotoniche integrate.

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