Sistema de divisão de água atinge eficiência de energia solar para hidrogênio de 9,8%

Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), na Coreia do Sul, projetou um sistema fotoeletroquímico escalável (PEC) movido a energia fotovoltaica para produzir hidrogênio verde que supostamente atinge uma eficiência de energia solar para hidrogênio (STH) de 9,8%.

“Nosso sistema é uma primeira tentativa de demonstração de curto prazo, planejamos mudar os projetos de acordo com nossa nova pesquisa futura”, disse o principal autor da pesquisa, Dharmesh Hansora, à pv magazine. “A vantagem única do nosso sistema é integrar vários componentes em um único dispositivo PEC para evitar o uso extra de componentes fotovoltaicos, o que minimiza a complexidade do sistema e reduz o custo do sistema.”

O sistema utiliza um fotoanodo constituído por duas células fotovoltaicas constituídas por um material perovskita conhecido como triiodeto de chumbo formamidínio (FAPbI3). O fotoanodo é encapsulado em uma folha de níquel (Ni) e um eletrocatalisador à base de Ni, ferro (Fe) e hidroperóxido (OOH).

As células solares usadas para o fotoanodo têm uma estrutura p-i-n e são baseadas em um substrato feito de vidro e óxido de estanho dopado com flúor (FTO). Eles também contam com uma camada de transporte de elétrons (ETL) feita de dióxido de titânio (TiO₂), o absorvedor de perovskita, uma camada de bloqueio de furos espiro-OMeTAD e um contato metálico de ouro (Au).

A equipe também aplicou pasta de prata (Ag) como um metal de junção ôhmica entre a camada FAPbI3 e uma camada de passivação feita de uma folha de metal Ni com uma espessura de 25 μm. A folha foi usada para bloquear completamente a permeação do eletrólito.

Os pesquisadores então depositaram oxihidróxido de níquel-ferro (NiFeOOH) como um cocatalisador de reação de evolução de oxigênio (OER) na folha de Ni por solução precursora de Ni e Fe por fundição em gota. “Este fotoanodo FAPbI3 encapsulado em metal registra uma densidade de fotocorrente de 22,8 mA cm−2 a 1,23 VRHE e mostra excelente estabilidade por 3 dias sob iluminação simulada de 1 sol”, enfatizaram, observando que seu desempenho é comparável ao de dispositivos fotovoltaicos baseados em materiais de perovskita de haleto metálico orgânico e inorgânico (PSK).

“Otimizamos esse fotoanodo usando diferentes folhas metálicas e estudamos as interações catalisador-eletrólito em profundidade”, explicou Hanshora, observando que fotoanodos com tamanhos de 0,25 cm2, 7,68 cm2, 30,8 cm2 e 123,2 cm2 foram construídos e testados em um único sistema de reator.

O grupo de pesquisa então construiu o protótipo do sistema de divisão de água PEC usando o fotoanodo e um fio de platina (Pt) como cátodo. Eles imergiram o ânodo e o cátodo no eletrólito dentro do reator PEC, enquanto instalavam outra célula fotovoltaica FAPbI3 fora do eletrólito em uma conexão paralela lado a lado.

“Esses fotoanodos de pequena área e escala registraram eficiências de STH de 9,8% (0,25 cm2), 8,9% (7,68 cm2), 8,5% (30,8 cm2) e 8,5% (123,2 cm2)”, disseram os pesquisadores, observando que o fotoanodo foi ampliado aumentando o tamanho da célula unitária, o número de células (multicélula) e o número de reatores.

“Tais resultados demonstram a possibilidade de que a alta eficiência STH de pequenas células pode ser mantida em fotoanodos de grandes células”, afirmaram, ao mesmo tempo em que reconhecem que os valores de eficiência alcançados ainda são insuficientes para a produção prática de hidrogênio PEC.

“Planejamos melhorar ainda mais a eficiência e a estabilidade do sistema PEC por meio da integração de fotoeletrodos e da seleção de um catalisador mais eficiente e durável”, disse Hansora.

O sistema foi apresentado no artigo “All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production“, que foi publicado recentemente na Nature Energy.