Ηλιακά κύτταρα για απεριόριστη ενέργεια

Από σελίδα του PhysicsWeb 7 Δεκεμβρίου 2001

Ενα βήμα πιό κοντά είναι μια απεριόριστη, καθαρή ενεργειακή πηγή, μετά από την ανακάλυψη ενός υλικού που μπορεί να βοηθήσει να εξαχθεί το υδρογόνο από το νερό, χρησιμοποιώντας την ενέργεια από το ορατό φως. Ο Zhigang Zou του Εθνικού Ιδρύματος Προηγμένης Βιομηχανικής Τεχνολογίας στην Ιαπωνία και οι συναδέλφοι του, έχουν αναπτύξει έναν φωτοκαταλύτη που χρησιμοποιεί την οπτική ακτινοβολία - που αποτελεί το 43% της ηλιακής ενέργειας. Μια αξιόπιστη πηγή υδρογόνου είναι ένα από "ιερά δισκοπότηρα" της ενεργειακής παραγωγής - το υδρογόνο δίνει άφθονη ενέργεια όταν καίγεται και το μόνο υποπροϊόν της καύσεως είναι το νερό. Οι προηγούμενοι καταλύτες είχαν ανταποκριθεί μόνο στην υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία αποτελεί ακριβώς το 4% της ενέργειας του ήλιου (Nature, 2001 414 625).

Η φωτοκατάλυση είναι η χρήση της ενέργειας, από το απορροφούμενο φως, για να ξεκινήσει τις χημικές αντιδράσεις. Οι ημιαγωγοί είναι χρήσιμοι σε τέτοιες αντιδράσεις επειδή μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά τους να αλλάζουν όταν απορροφούν την ακτινοβολία. Αλλά η ενέργειά χάσματος είναι συχνά μεγάλη, και αυτό σημαίνει ότι μόνο τα φωτόνια με τα πολύ μικρά μήκη κύματος και τις υψηλές ενέργειες - όπως τα υπεριώδη φωτόνια - μπορούν οδηγήσουν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας.

Για να δημιουργήσουν ένα κατάλληλο υλικό, ο Zou και οι συνάδελφοι του, πρόσθεσαν το νικέλιο στον ημιαγωγό οξειδίου τανταλίου ινδίου. Αυτό μείωσε την ενέργειά του χάσματος από 2.6 στα 2.3 ev, που σημαίνει ότι τα ορατά φωτόνια φέρουν αρκετή τέτοια ενέργεια για να κάνουν τα ηλεκτρόνια να διασχίσουν το χάσμα. Βύθισαν αυτόν τον ημιαγωγό στο νερό και τον φώτισαν με έναν λαμπτήρα τόξου. Καθώς ο ημιαγωγός απορροφά την ενέργεια από τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια πηδούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας τις θετικές οπές στη ζώνη σθένους.

Υπό τον όρο ότι η ζώνη αγωγιμότητας είναι σε μια υψηλότερη ενέργεια από το "δυναμικό αναγωγής" του υδρογόνου, τα "προαχθέντα" ηλεκτρόνια παρασύρονται στην επιφάνεια του ημιαγωγού, όπου ενώνονται με τα ιόντα του υδρογόνου στο νερό για να κάνουν έτσι το αέριο του υδρογόνου. Για να ισορροπήσει αυτήν την αντίδραση, η ζώνη σθένους πρέπει να είναι σε μια χαμηλότερη ενέργεια από το "δυναμικό οξείδωσης" του οξυγόνου - αυτό επιτρέπει τις θετικές οπές να καλυφθούν και να  δεχθούν ηλεκτρόνια από τα ιόντα του οξυγόνου στο ύδωρ, δημιουργώντας έτσι το αέριο του οξυγόνου.

Ο νέος ημιαγωγός είναι επίσης ελαστικός - οι υπάρχοντες ημιαγωγοί που χρησιμοποιούν το ορατό φως είτε διαβρώνονται ή γίνονται αδρανείς όταν έρχονται σε επαφή με το νερό. Ο Ζοu και οι συνάδελφοι του επισημαίνουν ότι αν και η συσκευή τους είναι μόνο 0,66% αποδοτική, αυτοί είναι βέβαιοι ότι αυτή θα βελτιώνεται όταν αυτοί θα αυξήσουν  την περιοχή της επιφάνειας, και θα ρυθμίσουν τη σχεδίαση της.