Un nuovo tipo di pannello solare ha raggiunto un’efficienza di oltre il 9% nella conversione dell’acqua in idrogeno e ossigeno, imitando una fase cruciale della fotosintesi naturale.

Si tratta di un importante passo avanti che consente a questa tecnologia di aumentare di quasi 10 volte l’efficienza rispetto agli esperimenti di elettrolisi solare effettuati all’aperto.

Questa tecnologia consente un’efficienza “solar-to-hydrogen” di circa il 7% con l’acqua di rubinetto e l’acqua di mare, e del 6,2% in un sistema fotocatalitico di scissione dell’acqua su larga scala.

Ma il vantaggio maggiore è la riduzione del costo dell’idrogeno verde così ottenuto. Ciò è possibile grazie al rimpicciolimento del semiconduttore, di solito la parte più costosa del dispositivo. Quello sviluppato dai ricercatori dell’Università del Michigan, infatti, resiste alla luce concentrata equivalente a 160 soli.

Idrogeno grigio e da fotosintesi

Attualmente, l’industria produce idrogeno dal metano, quindi una fonte non rinnovabile, utilizzando una grande quantità di energia fossile nel processo. Le piante, invece, raccolgono gli atomi di idrogeno dall’acqua utilizzando la luce del sole.

Poiché l’umanità sta cercando di ridurre le emissioni di carbonio, l’idrogeno è interessante soprattutto come agente chimico, ad esempio per la produzione di fertilizzanti, e in altre applicazioni industriali.

“Crediamo che alla fine i dispositivi di fotosintesi artificiale saranno molto più efficienti della fotosintesi naturale, il che fornirà un percorso verso la neutralità del carbonio”, ha dichiarato Zetian Mi, professore di ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Michigan, che ha guidato lo studio pubblicato su Nature.

Due innovazioni

Il promettente risultato è stato reso possibile da due innovazioni. La prima è la capacità di concentrare la luce solare senza distruggere il semiconduttore che la sfrutta.

“Abbiamo ridotto le dimensioni del semiconduttore di oltre 100 volte rispetto ad alcuni semiconduttori che funzionano solo a bassa intensità luminosa”, ha dichiarato Peng Zhou, ricercatore in ingegneria elettrica e informatica e primo autore dello studio. “L’idrogeno prodotto dalla nostra tecnologia potrebbe essere molto economico”.

La seconda innovazione è utilizzare sia la parte più alta dello spettro solare per scindere l’acqua, sia la parte più bassa dello spettro per fornire il calore che favorisce la reazione. La luce infrarossa precedentemente sprecata viene ora invece utilizzata.

Ciò è reso possibile da un catalizzatore semiconduttore che migliora con l’uso, resistendo alla degradazione che di solito subiscono i catalizzatori quando sfruttano la luce solare per guidare le reazioni chimiche.

Oltre a gestire alte intensità di luce, il catalizzatore eccelle anche a temperature elevate, che invece sono solitamente deleterie per i semiconduttori dei computer. Le temperature più elevate accelerano il processo di scissione dell’acqua e il calore supplementare incoraggia l’idrogeno e l’ossigeno a rimanere separati piuttosto che a rinnovare i loro legami e formare nuovamente acqua. Entrambi i fattori hanno agevolato la produzione di maggiori quantità di idrogeno rispetto al passato.

Esperimento sul campo

Per l’esperimento all’aperto, Zhou ha montato una lente delle dimensioni di una finestra di una casa per focalizzare la luce solare su un pannello sperimentale di pochi centimetri. All’interno di questo pannello, il catalizzatore semiconduttore è stato ricoperto da uno strato d’acqua, gorgogliante di idrogeno e ossigeno durante la loro separazione.

Il catalizzatore è costituito da nanostrutture di nitruro di indio e gallio, poste su una superficie di silicio. Il wafer di semiconduttore cattura la luce e la converte in elettroni liberi e spazi vuoti con carica positiva lasciati dagli elettroni liberati dalla luce. Le nanostrutture sono costellate da sfere di metallo di dimensioni nanometriche, pari a 1/2000 di millimetro, che utilizzano gli elettroni e i “buchi” per aiutare a dirigere la reazione.

Un semplice strato isolante in cima al pannello mantiene la temperatura a 75 °C, abbastanza calda da favorire la reazione e allo stesso tempo abbastanza fresca da permettere al catalizzatore semiconduttore di funzionare bene.

La versione esterna dell’esperimento, con luce solare e temperatura meno controllabili, ha raggiunto un’efficienza del 6,2% nel trasformare l’energia del sole in idrogeno. Al chiuso, invece, il sistema ha raggiunto un’efficienza del 9,2%.

Prossime sfide

Le prossime sfide che gli ingegneri dell’Università del Michigan intendono affrontare sono l’ulteriore miglioramento dell’efficienza e l’ottenimento di idrogeno ad altissima purezza che possa essere immesso direttamente nelle celle a combustibile, usate per esempio nei trasporti.

Si tratta insomma di un approccio pratico per produrre idrogeno in modo efficiente dalla luce solare naturale e dall’acqua, superando o comunque allargando il tradizionale collo di bottiglia dell’efficienza della produzione di idrogeno solare.