L'hématite et d'autres oxydes de métaux de transition sont utilisés dans la production renouvelable d'hydrogène. Des chercheurs de la TU Darmstadt ont découvert pourquoi les matériaux ont atteint leurs limites. Leurs résultats sont maintenant publiés dans Communication Nature .

La séparation solaire de l'eau à la frontière entre un semi-conducteur et l'eau (feuille artificielle) est une méthode élégante pour la production renouvelable d'hydrogène stockable, carburant facile à transporter. La lumière est absorbée dans le semi-conducteur et convertie en tension électrique (photo) qui doit être suffisamment grande pour diviser les molécules d'eau en H 2 et ô 2 . Il peut théoriquement être estimé par la taille de la bande interdite du semi-conducteur - l'écart entre le niveau d'énergie le plus élevé occupé et le plus bas inoccupé.

Au cours des dernières décennies, la recherche s'est concentrée sur les oxydes de métaux de transition en tant que matériaux absorbants, qui semblent initialement être idéales pour le fractionnement de l'eau, car de nombreux représentants de cette classe de matériaux possèdent des bandes interdites de la bonne taille. Un deuxième regard révèle, cependant, qu'en réalité les photovoltaïques qui peuvent être générés à l'aide d'oxydes de métaux de transition sont souvent trop faibles pour créer de l'hydrogène. Ce fait n'est pas compris, et a été le point de départ d'une étude de Christian Lohaus, Professeur Andreas Klein, Professeur Wolfram Jaegermann (Département des sciences des surfaces, Faculté des matériaux et géosciences de la TU Darmstadt), dont les résultats sont maintenant publiés dans Communication Nature .

Enquêtes fondamentales

Des investigations fondamentales ont été menées sur le matériau très examiné hématite (Fe 2 O 3 ) pour étudier ses limites inhérentes au photovoltage qui sont déterminées par les déplacements énergétiques maximaux du niveau dit de Fermi dans un matériau. En tant que grandeur statistique, le niveau de Fermi définit le nombre d'électrons et de trous d'électrons dans un semi-conducteur. Sa position peut être manipulée en ajoutant ou en supprimant des électrons. Plus il peut être déplacé vers le haut et vers le bas, plus la phototension qui peut être générée dans le semi-conducteur est élevée.

Au sein de l'hématite, le niveau de Fermi ne peut pas être décalé vers le haut au-delà d'une certaine valeur bien en dessous de la bande interdite optique. Au lieu, une inversion de charge de Fe ³⁺ à Fé ²⁺ a été observé. Ce renversement fait partie du développement des polarons dits, qui sont déjà connus comme la limite pour les oxydes de métaux de transition dans la conductivité électrique. Les travaux de l'équipe de Darmstadt augmentent la compréhension des effets des polarons par le fait qu'ils restreignent aussi fondamentalement la création du photovoltaïque. C'est pourquoi la bande interdite optique qui promet une tension photovoltaïque plus élevée n'est pas le critère déterminant pour l'utilisabilité d'un matériau dans le fractionnement de l'eau entraîné par la lumière. Au lieu, la plage autorisée dans laquelle le niveau de Fermi peut être décalé est déterminante. Ce fait limite clairement l'applicabilité des oxydes métalliques dans la division de l'eau à l'aide de la lumière de manière assez significative.