Un grupo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Ulsan (UNIST) de Corea del Sur ha diseñado un sistema fotoelectroquímico (PEC, por sus iniciales en inglés) escalable alimentado por energía fotovoltaica para producir hidrógeno verde que, según se informa, alcanza una eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno (STH) del 9,8%.

“Nuestro sistema es un primer intento de demostración a corto plazo; tenemos previsto modificar los diseños en función de nuestras próximas investigaciones”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Dharmesh Hansora. “La ventaja exclusiva de nuestro sistema es la integración de varios componentes en un único dispositivo PEC para evitar el uso adicional de componentes fotovoltaicos, lo que minimiza la complejidad del sistema y reduce su costo”.

El sistema utiliza un fotoánodo formado por dos células fotovoltaicas de un material de perovskita conocido como triyoduro de formamidinio y plomo (FAPbI3). El fotoánodo está encapsulado en una lámina de níquel (Ni) y un electrocatalizador a base de Ni, hierro (Fe) e hidroperóxido (OOH).

Las células solares utilizadas para el fotoánodo tienen una estructura p-i-n y se basan en un sustrato de vidrio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO). También se basan en una capa de transporte de electrones (ETL) de dióxido de titanio (TiO2), el absorbedor de perovskita, una capa de bloqueo de huecos spiro-OMeTAD y un contacto metálico de oro (Au).

El equipo también aplicó pasta de plata (Ag) como metal de unión óhmica entre la capa de FAPbI3 y una capa de pasivación formada por una lámina metálica de Ni de 25 μm de grosor. La lámina se utilizó para bloquear completamente la permeación del electrolito.

A continuación, los investigadores depositaron oxihidróxido de níquel y hierro (NiFeOOH) como cocatalizador de la reacción de evolución del oxígeno (OER) sobre la lámina de Ni mediante una solución precursora de Ni y Fe por colada. “Este fotoánodo de FAPbI3 encapsulado en metal registra una densidad de fotocorriente de 22,8 mA cm-2 a 1,23 VRHE y muestra una excelente estabilidad durante 3 días bajo iluminación simulada de 1 sol”, subrayaron, señalando que su rendimiento es comparable al de los dispositivos fotovoltaicos basados en materiales orgánicos e inorgánicos de haluro metálico de perovskita (PSK).

“Optimizamos este fotoánodo utilizando diferentes láminas metálicas y estudiamos en profundidad las interacciones catalizador-electrolito”, explicó Hanshora, señalando que se construyeron y probaron fotoánodos con tamaños de 0,25 cm2, 7,68 cm2, 30,8 cm2 y 123,2 cm2 en un único sistema reactor.

A continuación, el grupo de investigación construyó el prototipo de sistema de división de agua PEC utilizando el fotoánodo y un hilo de platino (Pt) como cátodo. Sumergieron el ánodo y el cátodo en el electrolito dentro del reactor PEC, mientras instalaban otra célula fotovoltaica FAPbI3 fuera del electrolito en una conexión paralela lado a lado.

“Estos fotoánodos de área pequeña y escalados registraron eficiencias STH del 9,8% (0,25 cm2), 8,9% (7,68 cm2), 8,5% (30,8 cm2) y 8,5% (123,2 cm2)”, señalan los investigadores, que señalan que el fotoánodo se escaló aumentando el tamaño de la celda unitaria, el número de celdas (multicelda) y el número de reactores.

“Tales resultados demuestran la posibilidad de que la elevada eficiencia STH de las células pequeñas pueda mantenerse en fotoánodos de células grandes”, afirmaron, aunque también reconocieron que los valores de eficiencia alcanzados son aún insuficientes para la producción práctica de hidrógeno PEC.

“Tenemos previsto mejorar aún más la eficiencia y estabilidad del sistema PEC mediante la integración de fotoelectrodos y la selección de un catalizador más eficiente y duradero”, señaló Hansora.

El sistema se presentó en el artículo “All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production” (Sistema de división de agua fotoelectroquímica no asistida totalmente basado en perovskita para una producción de hidrógeno solar eficiente, estable y escalable), publicado recientemente en nature energy.