Les oxydes métalliques sont des candidats prometteurs pour des photoélectrodes bon marché et stables pour la séparation solaire de l'eau, produire de l'hydrogène avec la lumière du soleil. Malheureusement, les oxydes métalliques ne sont pas très efficaces dans ce travail. Un remède connu est un traitement à la chaleur et à l'hydrogène. Une collaboration internationale a maintenant découvert pourquoi ce traitement fonctionne si bien, ouvrant la voie à des dispositifs plus efficaces et moins chers pour la production d'hydrogène solaire. Crédit :HZB
L'ère des combustibles fossiles est vouée à la fin, pour plusieurs raisons fortes. En alternative aux énergies fossiles, l'hydrogène semble très attractif. Le gaz a une densité d'énergie énorme, il peut être stocké ou traité ultérieurement, e. g. au méthane, ou fournir directement de l'électricité propre via une pile à combustible. S'il est produit en utilisant uniquement la lumière du soleil, l'hydrogène est entièrement renouvelable avec zéro émission de carbone.
Feuilles artificielles
Semblable à un processus de photosynthèse naturelle, la lumière du soleil peut également être utilisée dans les « feuilles artificielles » pour diviser l'eau en oxygène et en hydrogène. Les feuilles artificielles combinent des matériaux semi-conducteurs photoactifs et peuvent atteindre des rendements supérieurs à 15 %. Cependant, ces efficacités record ont été obtenues à l'aide de systèmes coûteux, qui ont également tendance à se décomposer en solutions aqueuses. Pour une commercialisation réussie, les coûts doivent baisser et la stabilité doit augmenter.
De bons candidats avec un désavantage
Les semi-conducteurs à oxyde métallique complexe sont de bons candidats pour les feuilles artificielles car ils sont relativement bon marché et stables dans les solutions aqueuses. Les scientifiques du HZB-Institute for Solar Fuels concentrent leurs recherches sur ces matériaux. Jusqu'à maintenant, les photoélectrodes à base d'oxydes métalliques ont montré des rendements modérés (seulement <8 %). Une des raisons est leur faible mobilité des porteurs de charge (électrons et/ou trous), ce qui est jusqu'à 100 000 fois inférieur à celui des semi-conducteurs classiques tels que l'arséniure de gallium ou le silicium. "Ce qui est pire, c'est le fait que les porteurs de charge dans les oxydes métalliques ont souvent des durées de vie très courtes, de la nanoseconde ou même de la picoseconde. Beaucoup d'entre eux disparaissent avant de pouvoir contribuer à la séparation de l'eau", Dr Fatwa Abdi, l'expert de l'Institut HZB pour les combustibles solaires souligne.
Traitement thermique à l'hydrogène
Une option pour surmonter cette limitation est un traitement thermique sous atmosphère d'hydrogène des couches d'oxyde métallique après dépôt. Fatwa Abdi et ses collègues ont maintenant étudié comment ce traitement influence la durée de vie, propriétés de transport et défauts dans l'une des photoélectrodes à oxyde métallique les plus prometteuses, vanadate de bismuth (BiVO4).
La durée de vie des porteurs de charge a doublé
Des mesures de conductivité résolues dans le temps ont révélé que les électrons et les trous vivent plus de deux fois plus longtemps dans la majeure partie du BiVO4 traité à l'hydrogène que dans le BiVO4 vierge. Par conséquent, le photocourant global sous la lumière du soleil est largement amélioré. D'autres mesures à Dresde et des calculs théoriques effectués par des collègues de KAUST en Arabie saoudite ont fourni la preuve que la présence d'hydrogène dans l'oxyde métallique réduit ou désactive les défauts ponctuels dans la majeure partie du BiVO4. "Nos résultats montrent que le traitement à l'hydrogène entraîne moins de pièges pour les porteurs de charge et moins d'opportunités de se recombiner ou de se perdre. Ainsi, davantage de porteurs de charge survivent plus longtemps et peuvent contribuer à la séparation de l'eau", Abdi explique.
