A Technische Universität Ilmenau está pesquisando componentes de alto desempenho e suas propriedades em um projeto federal de larga escala para tornar a produção de hidrogênio a partir da luz solar mais estável, eficiente e econômica. Com o objetivo de expandir o fornecimento de energia neutro para o clima, o Ministério Federal de Educação e Pesquisa está financiando o projeto de pesquisa com 2,8 milhões de euros ao longo de seis anos como parte da medida de financiamento SINATRA. Se o projeto “SINATRA: PARASOL” for bem-sucedido, a conversão competitiva de energia solar em hidrogênio verde terá uma ampla gama de aplicações potenciais no fornecimento de energia, na indústria e na sociedade.
Pesquisadores em todo o mundo estão procurando alternativas aos combustíveis fósseis convencionais: eles não estão disponíveis em quantidades ilimitadas, são prejudiciais ao meio ambiente e são caros. Combustíveis que podem ser produzidos de forma regenerativa, limpa e econômica são a ordem do dia. Os combustíveis solares, que são produzidos usando energia renovável, tornam possível armazenar energia solar na forma de ligações químicas, por exemplo, em moléculas de hidrogênio, completamente livres de dióxido de carbono prejudicial. Muitos veem o hidrogênio como o transportador de energia do futuro. O hidrogênio pode ser armazenado como gás ou líquido e transportado em tanques portáteis ou por meio de dutos de hidrogênio. Quando reage com o oxigênio, o hidrogênio produz apenas água, calor e eletricidade. E como não contém carbono, nenhum dióxido de carbono prejudicial é produzido.
Células fotoeletroquímicas são consideradas a maneira ideal de produzir combustíveis solares. Para produzir hidrogênio, por exemplo, moléculas de água são divididas em hidrogênio e oxigênio. Isso é feito com a ajuda de materiais baseados em semicondutores: eles absorvem a energia solar no semicondutor, que é convertida em elétrons que, assim como os elétrons na eletricidade, podem se mover para o dispositivo desejado para fornecê-lo com energia – o passo decisivo para gerar energia elétrica “limpa”.
Esses fotoabsorventes já existem e são baseados em uma combinação dos chamados semicondutores III-V e silício, um material que é um material que está disponível em quantidades quase ilimitadas e tem propriedades físicas e químicas quase ideais para o processo de conversão de energia. No entanto, esses sistemas têm uma desvantagem decisiva: se o semicondutor III-V ou silício entrar em contato com um eletrólito, o material corrói ou até mesmo se dissolve no eletrólito. Para tornar o sistema robusto e confiável, as células são revestidas com uma camada protetora e um catalisador é integrado para controlar a reação química desejada. No entanto, mesmo esses sistemas otimizados são estáveis apenas por algumas horas, pois a estabilidade depende da composição do material da camada protetora e do catalisador. Além disso, ambos os componentes, camada protetora e catalisador, levam a perdas adicionais de eficiência.
No Instituto de Física da TU Ilmenau, um dos sete grupos de pesquisa júnior financiados pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa está trabalhando na manipulação direcionada das superfícies de semicondutores como parte da medida de financiamento SINATRA. No projeto PARASOL (“Camadas de proteção de passivação para multiabsorventes: componentes de alto desempenho para a produção fotoeletroquímica de combustíveis solares”), cientistas liderados por Agnieszka Paszuk estão desenvolvendo camadas de proteção finas, estáveis e eficientes feitas de óxidos metálicos para células fotoeletroquímicas.
As transições de um material para outro, as chamadas interfaces, são o problema mais crítico para a Dra. Paszuk e sua equipe resolverem. Uma interface é o limite entre duas áreas do espaço que são ocupadas por matéria diferente ou por matéria em estados físicos diferentes. Uma interface não é, portanto, uma superfície geométrica, mas uma camada fina que tem propriedades diferentes do material principal em ambos os lados da interface. O uso de semicondutores III-V e camadas de proteção de passivação feitas de óxido metálico nos componentes reúne grupos de materiais que pertencem a diferentes famílias de semicondutores. “Isso é um problema”, diz a Dra. Agnieszka Paszuk, “porque uma combinação imprecisa desses materiais resulta em perda de desempenho ao gerar energia. Agora estamos procurando o material ideal e a composição, cristalinidade e morfologia de superfície ideais da camada de passivação de óxido metálico. Isso nos permitirá obter não apenas componentes estáveis, mas também transporte de carga estável em tal camada.”
Para maximizar a estabilidade e a eficiência das células fotoeletroquímicas, a equipe de pesquisa deve investigar a interface entre essas camadas de passivação e o semicondutor III-V no nível atômico. Isso é feito no Centro de Micro e Nanotecnologias (ZMN) em uma das maiores salas limpas universitárias da Europa usando tecnologia de ponta: uma combinação de espectroscopia óptica in situ e espectroscopia de fotoelétrons. Para células fotoeletroquímicas estáveis e eficientes, como sabe a Dra. Agnieszka Paszuk, outro problema deve ser resolvido: “Para evitar as perdas complexas de fotovoltagem e a dinâmica do portador de carga nas interfaces críticas, temos que examinar as células em contato com um eletrólito sob condições de trabalho realistas – um desafio real, mas necessário para entender precisamente os estados eletrônicos e as mudanças químicas na interface sólido/líquido.”
Se o projeto “SINATRA: PARASOL” for bem-sucedido, a conversão competitiva de energia solar em hidrogênio verde tem uma ampla gama de aplicações potenciais: Armazenada em grandes reservatórios e distribuída por meio de gasodutos especiais de hidrogênio, a nova tecnologia ajudará a estabilizar o fornecimento de energia. Processos industriais em larga escala se beneficiarão tanto quanto os acionamentos de veículos e as várias aplicações móveis e estacionárias de células de combustível inovadoras baseadas em hidrogênio verde.
Dr. Agnieszka Paszuk
Chefe do grupo de pesquisa júnior “SINATRA: PARASOL”
+49 3677 69-2578
[email protected]