Les photoanodes constituées d'oxydes métalliques sont considérées comme une solution viable pour la production d'hydrogène avec la lumière du soleil. -SnWO 4 possède des propriétés électroniques optimales pour la séparation photoélectrochimique de l'eau avec la lumière du soleil, mais se corrode facilement. Les couches protectrices d'oxyde de nickel empêchent la corrosion, mais réduisez le photovoltaïque et limitez le rendement. Aujourd'hui, une équipe du HZB a étudié à BESSY II ce qui se passe à l'interface entre la photoanode et la couche protectrice. Combiné avec des méthodes théoriques, les données de mesure révèlent la présence d'une couche d'oxyde qui nuit à l'efficacité de la photoanode.

L'hydrogène est un facteur important dans un système énergétique durable. Le gaz stocke l'énergie sous forme chimique et peut être utilisé de plusieurs manières :comme carburant, une matière première pour d'autres carburants et produits chimiques ou même pour produire de l'électricité dans des piles à combustible. Une solution pour produire de l'hydrogène de manière climatiquement neutre est la division électrochimique de l'eau à l'aide de la lumière du soleil. Cela nécessite des photoélectrodes qui fournissent une photovoltage et un photocourant lorsqu'elles sont exposées à la lumière et en même temps ne se corrodent pas dans l'eau. Les composés d'oxyde métallique ont des conditions préalables prometteuses pour cela. Par exemple, dispositifs solaires de séparation de l'eau utilisant du vanadate de bismuth (BiVO 4 ) les photoélectrodes atteignent déjà aujourd'hui ~8% d'efficacité solaire-hydrogène, ce qui est proche du maximum théorique du matériau de 9%.

La limite théorique est de 20% en α-SnWO 4

Pour atteindre des rendements supérieurs à 9 %, de nouveaux matériaux avec une bande interdite plus petite sont nécessaires. L'oxyde métallique α-SnWO 4 a une bande interdite de 1,9 eV, qui est parfaitement adapté à la séparation photoélectrochimique de l'eau. Théoriquement, une photoanode faite de ce matériau pourrait convertir environ 20% de la lumière solaire irradiée en énergie chimique (stockée sous forme d'hydrogène). Malheureusement, le composé se dégrade très rapidement en milieu aqueux.

La protection contre la corrosion a un prix

De fines couches d'oxyde de nickel (NiOx) peuvent protéger le α-SnWO 4 photoanode de la corrosion, mais se sont avérés également réduire de manière significative le photovoltage. Pour comprendre pourquoi c'est le cas, une équipe dirigée par le Dr Fatwa Abdi de l'Institut HZB pour les combustibles solaires a analysé le -SnWO 4 /Interface NiOx en détail chez BESSY II.

Interface explorée à BESSY II

"Nous avons étudié des échantillons avec différentes épaisseurs de NiOx avec la spectroscopie photoélectronique à rayons X durs (HAXPES) à BESSY II et interprété les données mesurées avec des résultats de calculs et de simulations, " dit Patrick Schnell, le premier auteur de l'étude et un doctorat. étudiant à l'Ecole Internationale de Recherche HI-SCORE à HZB. "Ces résultats indiquent qu'une fine couche d'oxyde se forme à l'interface, ce qui réduit la tension photovoltaïque, " explique Abdi.

Outlook :de meilleures couches de protection

Globalement, l'étude apporte de nouvelles, connaissances fondamentales sur la nature complexe des interfaces dans les photoélectrodes à base d'oxyde métallique. « Ces informations sont très utiles pour le développement de produits à faible coût, photoélectrodes à oxyde métallique évolutives, " dit Abdi. -SnWO 4 est particulièrement prometteur à cet égard. "Nous travaillons actuellement sur un procédé de dépôt alternatif pour NiOx sur α-SnWO 4 qui ne conduit pas à la formation d'une couche d'oxyde interfaciale, qui est susceptible d'être SnO 2 . Si cela réussit, nous nous attendons à ce que les performances photoélectrochimiques du α-SnWO 4 augmentera considérablement."