(PhysOrg.com) -- En ny strategi för att konstruera halvledarmaterial kan öka prestandan hos vattendelande solceller för väteproduktion, enligt en ny studie av forskare vid University of California, Santa Cruz.

Att använda solljus för att dela vatten i väte och syre är potentiellt ett rent och hållbart sätt att generera väte för bränslecellsfordon. Fotovoltaiska celler använder solenergi för att generera elektricitet, och elektricitet kan användas för att dela vatten genom elektrolys. Men ett mer direkt och effektivt tillvägagångssätt tillhandahålls av fotoelektrokemiska (PEC) celler, som använder solenergi för att generera väte inuti själva cellen.

UCSC-forskarna fokuserade på halvledarmaterialet som används som en ljusabsorberande anod i PEC-cellen. De kombinerade två tekniker-kallad elementär dopning och kvantpunktssensibilisering-som har använts för att förbättra prestanda för metalloxidhalvledare i solceller. Dessa tekniker använder nanoteknik för att manipulera ett materials struktur på en miljarddels meter.

Tidigare arbete i Jin Zhangs laboratorium, professor i kemi och biokemi vid UCSC, visade att denna kombination av tekniker har en synergistisk effekt, markant förbättra prestandan hos solcellsceller (se tidigare berättelse). I den nya studien, Zhang slog sig ihop med Yat Li, biträdande professor i kemi och biokemi, att testa samma strategi i en PEC-cell.

"Elementär dopning och kvantpricksensibilisering är två olika tekniker som fungerar bra i sig själva. Vi fann att vi kan kombinera dem för att få en synergistisk effekt, ", sa Li. "Vi utökade inte bara den här idén till en fotoelektrokemisk cell för vätegenerering, vi föreslog också en ny modell för att förklara de observerade experimentella data."

Zhang noterade att mer teoretiskt arbete behövs för att helt förstå de involverade mekanismerna. "Att förstå mekanismerna gör att vi kan optimera effekterna, "sa han." Den modell vi föreslog i den första uppsatsen var mycket preliminär, men de nya resultaten har hjälpt oss förfina vår modell."

Forskarna rapporterade sina resultat i tidskriften Nanobokstäver i en tidning som lades ut på nätet den 25 januari. Ledande författare till tidningen var Jennifer Hensel, en doktorand i Zhangs labb, och Gongming Wang, en doktorand i Lis labb.

Forskarna syntetiserade tunna filmer av titandioxid nanopartiklar, såväl som titandioxid nanotrådarrayer vertikalt inriktade i en tunn film på ett substrat. Titandioxidfilmerna var dopade med kväve, och kadmiumselenidnanopartiklar användes för kvantpricksensibilisering. De resulterande nanostrukturerade kompositmaterialen användes sedan som fotoanoder i en PEC-cell för att jämföra deras prestanda i noggrant kontrollerade experiment.

Resultaten är en viktig demonstration av potentialen att förbättra prestanda för fotoelektrokemiska celler, liksom solceller för solceller, använda noggrant utformade material, sa Zhang. "Nyckeln är att en kombination av olika tillvägagångssätt på ett rationellt sätt kan avsevärt öka prestandan, " han sa.