La energía solar desempeña un enorme papel en nuestras vidas. Si podemos aprovecharla, podemos eliminar la necesidad de combustibles fósiles contaminantes como el petróleo y el gas. Pero el principal reto del cambio a la energía solar radica en la disponibilidad variable de la luz solar a medida que avanza el día y cambian las estaciones.
Dado que la red eléctrica necesita energía estable a todas las horas del día y de la noche, el uso de la energía solar depende de nuestra capacidad para almacenarla. Pero la tecnología actual para almacenar la energía solar, las baterías, es inaplicable al almacenamiento de energía solar en las cantidades necesarias para abastecer un centro de producción, un barrio o una ciudad entera.
Científicos del Instituto Tecnológico Technion-Israel han logrado un avance científico en el almacenamiento de la energía solar, según informa Energy & Environmental Science. Un proyecto dirigido por el profesor Avner Rothschild, de la Facultad de Ciencias de los Materiales del Technion, y por la estudiante de doctorado Yifat Piekner, del Programa de Energía del Technion Nancy y Stephen Grand (GTEP), ha demostrado que la hematita puede ser un material prometedor para convertir la energía solar en hidrógeno.
El proceso implica el uso de células solares fotoelectroquímicas, que son similares a las células fotovoltaicas, pero en lugar de producir electricidad, producen hidrógeno utilizando la energía eléctrica (corriente × voltaje) generada en ellas. La energía utiliza entonces la energía de la luz solar para disociar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
El hidrógeno es fácil de almacenar y, cuando se utiliza como combustible, no implica emisiones de gases de efecto invernadero ni de carbono.
Uno de los principales retos de las pilas fotoelectroquímicas es el desarrollo de fotoelectrodos eficientes y estables en un electrolito base o ácido, que es el entorno químico en el que el agua puede dividirse eficazmente en hidrógeno y oxígeno. Aquí es donde entran en juego las células fotoelectroquímicas basadas en la hematita. La hematita es un óxido de hierro que tiene una composición química similar a la del óxido. La hematita es barata, estable y no tóxica, y tiene propiedades adecuadas para la división del agua.
Sin embargo, la hematita también tiene sus desventajas. Por razones que aún no están claras, la eficiencia de conversión de fotones en hidrógeno en los dispositivos basados en la hematita no llega ni a la mitad del límite teórico de este material. La nueva investigación del Technion se basa en los hallazgos publicados recientemente en Nature Materials y propone una explicación. Resulta que los fotones absorbidos por la hematita producen transiciones electrónicas localizadas que están “encadenadas” a una ubicación atómica específica en el cristal de la hematita, lo que las hace incapaces de generar la corriente eléctrica utilizada para la división del agua.
Pero con un nuevo método de análisis desarrollado por Piekner y sus colegas de investigación, el doctor David Ellis del Technion y el doctor Daniel Grave de la Universidad Ben-Gurion del Negev, se midieron por primera vez los siguientes datos: La eficiencia cuántica en la generación de transiciones electrónicas móviles (productivas) y localizadas (no productivas) en un material como resultado de la absorción de fotones en diferentes longitudes de onda, y la eficiencia de separación electrón-hueco.
Es la primera vez que se miden por separado estas dos propiedades (la primera, de carácter óptico, y la segunda, de carácter eléctrico), lo que permite comprender mejor los factores que influyen en la eficiencia energética de los materiales para convertir la energía solar en hidrógeno o electricidad.
El estudio de investigación ha sido patrocinado por el centro de investigación de fotocatalizadores y fotoelectrodos para la producción de hidrógeno de la Fundación Científica de Israel, dentro del Programa de Alternativas Petroleras para el Transporte, el Programa de Energía del Gran Technion (GTEP) y el Instituto de Nanotecnología Russell Berrie (RBNI) del Technion.
