(PhysOrg.com) -- Een nieuwe strategie voor het ontwerpen van halfgeleidermaterialen kan de prestaties van watersplitsende zonnecellen voor de productie van waterstof verbeteren, volgens een nieuwe studie door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Cruz.

Het gebruik van zonlicht om water te splitsen in waterstof en zuurstof is in potentie een schone en duurzame manier om waterstof te genereren voor brandstofcelvoertuigen. Fotovoltaïsche cellen gebruiken zonne-energie om elektriciteit op te wekken, en elektriciteit kan worden gebruikt om water te splitsen door elektrolyse. Maar een meer directe en efficiënte aanpak wordt geboden door foto-elektrochemische (PEC) cellen, die zonne-energie gebruiken om waterstof in de cel zelf te genereren.

De UCSC-onderzoekers richtten zich op het halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt als lichtabsorberende anode in de PEC-cel. Ze combineerden twee technieken - elementaire doping en quantum dot-sensibilisatie - die zijn gebruikt om de prestaties van metaaloxidehalfgeleiders in zonnecellen te verbeteren. Deze technieken gebruiken nanotechnologie om de structuur van een materiaal te manipuleren op de schaal van miljardsten van een meter.

Eerder werk in het laboratorium van Jin Zhang, hoogleraar scheikunde en biochemie aan UCSC, toonde aan dat deze combinatie van technieken een synergetisch effect heeft, de prestaties van fotovoltaïsche cellen aanzienlijk verbeteren (zie eerder verhaal). In de nieuwe studie Zhang werkte samen met Yat Li, assistent-professor scheikunde en biochemie, om dezelfde strategie in een PEC-cel te testen.

"Elementaire doping en quantum dot-sensibilisatie zijn twee verschillende technieken die op zichzelf goed werken. We hebben ontdekt dat we ze kunnen combineren om een ​​synergetisch effect te krijgen, " zei Li. "We hebben dit idee niet alleen mooi uitgebreid tot een foto-elektrochemische cel voor waterstofopwekking, we hebben ook een nieuw model voorgesteld om de waargenomen experimentele gegevens te verklaren."

Zhang merkte op dat er meer theoretisch werk nodig is om de betrokken mechanismen volledig te begrijpen. "Als we de mechanismen begrijpen, kunnen we de effecten optimaliseren, " zei hij. "Het model dat we in het eerste artikel voorstelden, was erg voorlopig, maar de nieuwe resultaten hebben ons geholpen ons model te verfijnen."

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Nano-letters in een artikel dat op 25 januari online is geplaatst. Hoofdauteurs van het artikel waren Jennifer Hensel, een afgestudeerde student in het lab van Zhang, en Gongming Wang, een afgestudeerde student in Li's lab.

De onderzoekers synthetiseerden dunne films van titaniumdioxide-nanodeeltjes, evenals titaniumdioxide nanodraadarrays verticaal uitgelijnd in een dunne film op een substraat. De titaandioxidefilms werden gedoteerd met stikstof, en cadmiumselenide nanodeeltjes werden gebruikt voor quantum dot sensibilisatie. De resulterende nanogestructureerde composietmaterialen werden vervolgens gebruikt als fotoanodes in een PEC-cel om hun prestaties te vergelijken in zorgvuldig gecontroleerde experimenten.

De resultaten zijn een belangrijke demonstratie van het potentieel om de prestaties van foto-elektrochemische cellen te verbeteren, evenals fotovoltaïsche zonnecellen, gebruik van zorgvuldig ontworpen materialen, zei Zhang. "De sleutel is dat het op een rationele manier combineren van verschillende benaderingen de prestaties aanzienlijk kan verbeteren, " hij zei.