Forskare runt om i världen försöker utveckla soldrivna generatorer som kan dela vatten, ger vätgas som skulle kunna användas som rent bränsle. En sådan anordning kräver effektiva ljusabsorberande material som attraherar och håller fast solljus för att driva de kemiska reaktionerna som är involverade i vattenklyvning. Halvledare som kisel och galliumarsenid är utmärkta ljusabsorbenter – vilket framgår av deras utbredda användning i solpaneler. Dock, dessa material rostar när de är nedsänkta i den typ av vattenlösningar som finns i sådana system.

Nu har Caltech-forskare vid Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) tagit fram en metod för att skydda dessa vanliga halvledare från korrosion även när materialen fortsätter att absorbera ljus effektivt. Fyndet banar väg för användningen av dessa material i solbränslegeneratorer.

"Under mer än ett halvt sekel, dessa material har ansetts utanför bordet för denna typ av användning, " säger Nate Lewis, George L. Argyros professor och professor i kemi vid Caltech, och huvudutredaren på tidningen. "Men vi gav inte upp med att utveckla system genom vilka vi kunde skydda dem, och nu är dessa tekniskt viktiga halvledare tillbaka på bordet."

Forskningen, ledd av Shu Hu, en postdoktor i kemi vid Caltech, visas i numret av tidskriften den 30 maj Vetenskap .

I den typ av integrerad solbränslegenerator som JCAP strävar efter att producera, två halvreaktioner måste äga rum - en som involverar oxidation av vatten för att producera syrgas; den andra innebär minskning av vatten, ger vätgas. Varje halvreaktion kräver både ett ljusabsorberande material för att fungera som fotoelektrod och en katalysator för att driva kemin. Dessutom, de två reaktionerna måste vara fysiskt åtskilda av en barriär för att undvika att en explosiv blandning av deras produkter bildas.

Historiskt sett, det har varit särskilt svårt att komma fram till ett ljusabsorberande material som robust kan utföra oxidationshalvreaktionen. Forskare har försökt, utan större framgång, en mängd olika material och många tekniker för beläggning av de vanliga ljusabsorberande halvledarna. Problemet har varit att om skyddsskiktet är för tunt, den vattenhaltiga lösningen tränger igenom och korroderar halvledaren. Om, å andra sidan, lagret är för tjockt, det förhindrar korrosion men blockerar också halvledaren från att absorbera ljus och hindrar elektroner från att passera igenom för att nå katalysatorn som driver reaktionen.

På Caltech, forskarna använde en process som kallas atomskiktsavsättning för att bilda ett skikt av titandioxid (TiO2) – ett material som finns i vit färg och många tandkrämer och solskyddsmedel – på enkla kristaller av kisel, galliumarsenid, eller galliumfosfid. Nyckeln var att de använde en form av TiO2 känd som "läckande TiO2" - eftersom det läcker elektricitet. Tillverkad först på 1990-talet som ett material som kan vara användbart för att bygga datorchips, läckande oxider avvisades som oönskade på grund av deras laddningsläckande beteende. Dock, läckande TiO2 verkar vara precis vad som behövdes för denna solbränslegeneratorapplikation. Deponerad som en film, varierar i tjocklek mellan 4 och 143 nanometer, TiO2 förblev optiskt transparent på halvledarkristallerna – så att de kunde absorbera ljus – och skyddade dem från korrosion men tillät elektroner att passera igenom med minimalt motstånd.

Ovanpå TiO2, forskarna deponerade 100 nanometer tjocka "öar" av en riklig, billigt nickeloxidmaterial som framgångsrikt katalyserade oxidationen av vatten för att bilda molekylärt syre.

Arbetet tycks nu göra en uppsjö av val tillgängliga som möjliga ljusabsorberande material för oxidationssidan av den vattendelande ekvationen. Dock, forskarna betonar, det är ännu inte känt om den skyddande beläggningen skulle fungera lika bra om den applicerades med en billig, mindre kontrollerad appliceringsteknik, som att måla eller spruta TiO2 på en halvledare. Också, än så länge, Caltech-teamet har bara testat de belagda halvledarna för några hundra timmars kontinuerlig belysning.

"Detta är redan ett rekord i termer av både effektivitet och stabilitet för detta område, men vi vet ännu inte om systemet misslyckas på lång sikt och försöker se till att vi gör något som håller i åratal över stora områden, i motsats till veckor, " säger Lewis. "Det är nästa steg."