Nanoestructuras para captar luz eficientemente
La disociación fotoquímica del agua es una forma muy prometedora y ecológica de convertir la energía solar en hidrogeno. No obstante, la rápida recombinación masiva de los portadores de carga sigue siendo el obstáculo principal para mejorar todavía más la eficiencia de la conversión. En el proyecto «Nanophotonics for efficient solar-to-H2 energy conversion» (NFESEC), financiado por la Unión Europea, un grupo de científicos desarrolló nuevas nanoarquitecturas fotónicas para mejorar la generación y separación de los portadores de carga. El vanadato de bismuto (BiVO4) y estructuras plasmónicas pueden manipular y confinar la luz, en la escala nanométrica, lo cual brinda nuevas oportunidades para impulsar la eficiencia de la conversión de energía solar en hidrógeno. El motivo principal de la recombinación dominante en masa de electrones y huecos, es la longitud corta de difusión de los portadores de carga fotoexcitados. Para abordar este problema, los científicos realizaron estudios extensos sobre la nanoestructuración, centrados especialmente en acortar la longitud del recorrido de los portadores de carga. Las estructuras fotónicas como la del BiVO4 tienen una estructura de bandas adecuada para posibles usos como fotoánodos en la disociación de agua mediante energía solar. Bloques constructivos de las estructuras metálicas plasmónicas con una fuerte resonancia plasmónica (SPR) pueden utilizarse como antenas para localizar la energía óptica y controlar la ubicación de la generación de los portadores de carga. La interacción de los campos eléctricos localizados que rodean a las partículas metálicas plasmónicas con un semiconductor vecino proporciona una ruta para formar pares electrón-hueco de forma selectiva. Los científicos combinaron ópalos inversos de BiVO4 con efectos de SPR debidos a nanopartículas de oro y lograron aumentar la absorción de la luz y la separación de los portadores de carga. Añadiendo un semiconductor por debajo de la capa sin ningún patrón en la estructura de ópalo inverso, los científicos bloquearon las pérdidas de luz debidas a la reflexión. La densidad de los nuevos fotoánodos de NFESEC era la mayor entre los fotoánodos a base de óxidos y cuatro veces más elevada que la de los fotoánodos planos no estructurados. Los resultados del proyecto contribuyen a desarrollar nuevas estructuras nanofotónicas con propiedades físicas únicas capaces de captar luz solar de forma eficiente. Las nanoarquitecturas de los nuevos fotoelectrodos aumentarán la eficiencia de la conversión solar.
