La séparation de l'eau avec l'énergie solaire pourrait fournir une voie efficace pour la conversion et le stockage d'énergie renouvelable à grande échelle. Les scientifiques de la TU Delft et de l'AMOLF ont maintenant conçu une photoélectrode très efficace et stable, un matériau qui absorbe la lumière et divise directement l'eau en hydrogène et oxygène. Par ailleurs, ils utilisent des plaquettes de silicium comme matériau absorbant la lumière, le système est donc également bon marché. Ils rendent compte de leurs conclusions dans Communication Nature jeudi, 29 juin.

Conversion de l'énergie

La séparation photoélectrochimique (PEC) de l'eau (en hydrogène et oxygène) est considérée comme une approche durable pour produire un carburant propre et renouvelable par la conversion directe de l'énergie solaire en énergie chimique. L'hydrogène pourrait, par exemple, être utilisés directement dans les piles à combustible ou combinés avec d'autres molécules pour créer des produits chimiques durables.

'En collaboration avec des collègues de l'AMOLF (Amsterdam), nous avons conçu une photo-électrode, un matériau qui absorbe la lumière et divise directement l'eau, qui a une très haute efficacité et plus de 200 heures de stabilité', dit Wilson Smith, Professeur agrégé au Département de génie chimique de la TU Delft. «C'est remarquable dans un domaine où les gens ne montrent normalement que quelques heures de stabilité. Nous utilisons des plaquettes de silicium comme matériau absorbant la lumière, la photoélectrode est donc également très bon marché.'

'Donc, en résumé, nous avons maintenant un matériel à faible coût, absorbe beaucoup de lumière, a une haute efficacité catalytique, et est remarquablement stable ».

MIS

Il est essentiel qu'un système PEC fournisse un photocourant et une tension photovoltaïque suffisamment élevés pour entraîner la réaction d'oxydation de l'eau. Typiquement, il existe un équilibre entre l'efficacité catalytique de ce système et sa stabilité à long terme. Résoudre un problème aggrave généralement l'autre. 'Ici, nous avons traité indépendamment les goulots d'étranglement de la stabilité et de la catalyse dans le fractionnement photoélectrochimique de l'eau, et les a combinés en un seul système simple. Nous avons utilisé une couche isolante nouvellement conçue pour stabiliser la photoélectrode à semi-conducteur (Si), tout en utilisant également deux métaux pour augmenter la tension photovoltaïque et diviser l'eau avec un rendement élevé. Cette approche, connue sous le nom de réalisation d'une jonction métal-isolant-semi-conducteur (MIS), s'est avéré efficace auparavant mais jamais aussi durable', Smith explique.

Durabilité

« Malgré le grand avantage de la structure MIS pour la séparation solaire de l'eau, il reste un compromis majeur entre le rendement élevé et la durabilité à long terme », dit Smith. Par conséquent, de nombreux efforts se sont concentrés sur la protection des photoélectrodes. Le nickel (Ni) est un métal attractif qui possède toutes les fonctionnalités requises pour les photoanodes MIS :un travail d'extraction élevé pour une génération de haute tension photovoltaïque, un catalyseur actif pour l'oxydation de l'eau, et une stabilité chimique élevée en solution fortement alcaline. Ni absorbe la lumière, ce qui peut limiter les performances de la photoélectrode, il doit donc être très fin (2 nm). Cependant, une couche de Ni aussi mince n'est pas en mesure de protéger complètement la photoanode sous-jacente dans un électrolyte hautement corrosif à pH 14.

Simple

Les chercheurs ont maintenant développé une photoanode MIS qui peut offrir une efficacité et une stabilité élevées en concevant à la fois les interfaces métal-isolant et isolant-semi-conducteur. Spécifiquement, ils ont introduit une couche d'Al2O3 et deux métaux, Pt et Ni. En utilisant cette stratégie de protection simple mais efficace, ils obtiennent plus de 200 heures de fonctionnement d'une photoanode MIS qui montre des photocourants élevés constants dans une solution basique forte. Ainsi, l'approche utilisée dans cette étude peut potentiellement être intégrée dans la technologie PV existante, ce qui le rend prometteur pour de futures applications.

Pour réussir le fractionnement spontané de l'eau, la photoanode doit être combinée avec des photoélectrodes à plus grande bande interdite dans un arrangement en série ou en tandem. Cela simplifierait la conception d'un dispositif photoélectrochimique hautement efficace pour la séparation solaire de l'eau.