Les cellules solaires et les photocathodes en oxyde de cuivre pourraient théoriquement atteindre des rendements élevés pour la conversion de l'énergie solaire. En pratique, cependant, de grosses pertes se produisent. Maintenant, une équipe du HZB a pu utiliser une expérience laser femtoseconde sophistiquée pour déterminer où ces pertes ont lieu - pas tellement aux interfaces, mais plutôt, beaucoup plus à l'intérieur du matériau cristallin. Ces résultats fournissent des indications sur la façon d'améliorer l'oxyde de cuivre et d'autres oxydes métalliques pour des applications telles que les matériaux énergétiques.

Oxyde de cuivre (Cu 2 O) est un candidat très prometteur pour la future conversion de l'énergie solaire :en tant que photocathode, l'oxyde de cuivre (un semi-conducteur) pourrait être capable d'utiliser la lumière du soleil pour diviser électrolytiquement l'eau et ainsi générer de l'hydrogène, un carburant qui peut stocker chimiquement l'énergie de la lumière du soleil.

L'oxyde de cuivre a une bande interdite de deux électrons-volts, qui correspond très bien au spectre énergétique de la lumière du soleil. Des cristaux d'oxyde de cuivre parfaits devraient théoriquement être capables de fournir une tension proche de 1,5 volts lorsqu'ils sont éclairés par la lumière. Le matériau serait donc parfait en tant qu'absorbeur le plus haut dans une cellule tandem photoélectrochimique pour la séparation de l'eau. Une efficacité de conversion de l'énergie solaire en hydrogène allant jusqu'à 18 % devrait être réalisable. Cependant, les valeurs réelles de la tension photovoltaïque sont nettement inférieures à cette valeur, insuffisant pour faire de l'oxyde de cuivre une photocathode efficace dans une cellule tandem pour la séparation de l'eau. Jusqu'à maintenant, les processus de perte près de la surface ou au niveau des couches limites ont été principalement tenus pour responsables de cela.

Une équipe de l'Institut HZB pour les combustibles solaires a maintenant examiné de plus près ces processus. Le groupe a reçu Cu de haute qualité 2 O monocristaux de collègues du California Institute of Technology (Caltech), puis déposé en phase vapeur une couche extrêmement mince, couche transparente de platine sur eux. Cette couche de platine agit comme un catalyseur et augmente l'efficacité de la séparation de l'eau. Ils ont examiné ces échantillons dans le laboratoire laser femtoseconde (1 fs =10 ^-15 s) au HZB pour savoir quels processus conduisent à la perte de porteurs de charge, et en particulier, si ces pertes se produisent à l'intérieur des monocristaux ou à l'interface avec le platine.

Une impulsion laser verte a initialement excité les électrons dans le Cu 2 O; quelques fractions de seconde plus tard, une seconde impulsion laser (lumière UV) mesurait l'énergie de l'électron excité. L'équipe a ensuite pu identifier le mécanisme principal des pertes de tension grâce à cette spectroscopie d'émission à deux photons et photons à résolution temporelle (tr-2PPE). "Nous avons observé que les électrons excités étaient très rapidement liés dans des états de défauts qui existent en grand nombre dans la bande interdite elle-même, " rapporte le premier auteur Mario Borgwardt, qui poursuit maintenant son travail en tant que boursier Humboldt au Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis. Le coordinateur de l'étude, Dennis Friedrich, dit, "Cela se produit sur une échelle de temps inférieure à une picoseconde (1 ps =10 ^-12 s), c'est-à-dire extrêmement rapide, en particulier par rapport à l'intervalle de temps dont les porteurs de charge ont besoin pour diffuser de l'intérieur du matériau cristallin à la surface."

"Nous avons des méthodes expérimentales très puissantes au laboratoire laser femtoseconde du HZB pour analyser l'énergie et la dynamique des électrons photo-excités dans les semi-conducteurs. Nous avons pu montrer pour l'oxyde de cuivre que les pertes se produisent peu aux interfaces avec le platine, mais à la place dans le cristal lui-même, " dit Rainer Eichberger, initiateur de l'étude et responsable du laboratoire de spectroscopie femtoseconde.

"Ces nouvelles connaissances sont notre première contribution au pôle d'excellence UniSysCat de la Technische Universität Berlin, dont nous sommes partenaire, " souligne Roel van de Krol, qui dirige l'Institut HZB pour les combustibles solaires. UniSysCat se concentre sur les processus catalytiques qui se déroulent sur des échelles de temps très diverses :alors que les porteurs de charge réagissent extrêmement rapidement aux excitations par la lumière (de la femtoseconde à la picoseconde), les processus chimiques tels que (électro)catalyse nécessitent plusieurs ordres de grandeur plus de temps (millisecondes). Une conversion photochimique efficace nécessite que les deux processus soient optimisés ensemble. Les résultats actuels qui ont maintenant été publiés dans la célèbre revue Communication Nature sont un pas important dans cette direction.