L'hydrogène sera nécessaire en grandes quantités comme vecteur énergétique et matière première dans le système énergétique du futur. Pour y parvenir, cependant, l'hydrogène doit être produit de manière climatiquement neutre, par exemple par ce qu'on appelle la photoélectrolyse, en utilisant la lumière du soleil pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. En tant que photoélectrodes, des matériaux semi-conducteurs sont nécessaires pour convertir la lumière du soleil en électricité et rester stables dans l'eau. Les oxydes métalliques sont parmi les meilleurs candidats pour des photoélectrodes stables et peu coûteuses. Certains de ces oxydes métalliques ont également des surfaces catalytiquement actives qui accélèrent la formation d'hydrogène à la cathode ou d'oxygène à l'anode.

Pourquoi la rouille n'est-elle pas beaucoup mieux?

La recherche a longtemps porté sur l'hématite (α-Fe 2 O 3 ), qui est largement connu sous le nom de rouille. L'hématite est stable dans l'eau, extrêmement peu coûteux et bien adapté comme photoanode avec une activité catalytique démontrée pour le dégagement d'oxygène. Bien que les recherches sur les photoanodes en hématite se poursuivent depuis environ 50 ans, le rendement de conversion du photocourant est inférieur à 50 % de la valeur maximale théorique. Par comparaison, le rendement photoélectrique du matériau semi-conducteur silicium, qui domine aujourd'hui près de 90 % du marché photovoltaïque, est d'environ 90 % de la valeur maximale théorique.

Les scientifiques s'y interrogent depuis longtemps. Qu'est-ce qui a été oublié exactement ? Quelle est la raison pour laquelle seules des augmentations modestes de l'efficacité ont été obtenues?

Une équipe israélo-allemande résout le puzzle

Dans une étude récente publiée dans Matériaux naturels , cependant, une équipe dirigée par le Dr Daniel Grave (Université Ben Gourion), Le Dr Dennis Friedrich (HZB) et le Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) ont expliqué pourquoi l'hématite est si loin de la valeur maximale calculée. Le groupe du Technion a étudié comment la longueur d'onde de la lumière absorbée dans les films minces d'hématite affecte les propriétés photoélectrochimiques, tandis que l'équipe HZB a déterminé les propriétés des porteurs de charge dépendants de la longueur d'onde dans des films minces de rouille avec des mesures micro-ondes résolues en temps.

Propriété physique fondamentale extraite

En combinant leurs résultats, les chercheurs ont réussi à extraire une propriété physique fondamentale du matériau qui avait généralement été négligée lors de l'examen des absorbeurs solaires inorganiques :le spectre de rendement de photogénération. "Grosso modo, cela signifie que seule une partie de l'énergie de la lumière absorbée par l'hématite génère des porteurs de charge mobiles, le reste génère des états excités assez localisés et est donc perdu, ", explique Grave.

La rouille ne s'améliorera pas beaucoup

"Cette nouvelle approche fournit un aperçu expérimental de l'interaction lumière-matière dans l'hématite et permet de distinguer son spectre d'absorption optique en absorption productive et absorption non productive, " explique Rothschild. " Nous avons pu montrer que la limite supérieure efficace pour l'efficacité de conversion des photoanodes en hématite est nettement inférieure à celle attendue sur la base de l'absorption de la bande interdite ci-dessus, " dit Grave. D'après le nouveau calcul, les photoanodes d'hématite "championnes" d'aujourd'hui se sont déjà rapprochées du maximum théoriquement possible. Donc ça ne va pas beaucoup mieux que ça.

Évaluation de nouveaux matériaux de photoélectrodes

L'approche a également été appliquée avec succès au TiO 2 , un matériau modèle, et BiVO 4 , qui est actuellement le matériau de photoanode à oxyde métallique le plus performant. « Avec cette nouvelle approche, nous avons ajouté un outil puissant à notre arsenal qui nous permet d'identifier le potentiel réalisable des matériaux de photoélectrode. La mise en œuvre de cela sur de nouveaux matériaux accélérera, espérons-le, la découverte et le développement de la photoélectrode idéale pour la séparation solaire de l'eau. Cela nous permettrait aussi d'« échouer rapidement », ce qui est sans doute tout aussi important lors du développement de nouveaux matériaux absorbants, " dit Frédéric.