Produire des films minces d'oxyde métallique à faible coût avec une haute qualité électronique pour la séparation de l'eau solaire n'est pas une tâche facile. D'autant plus que les améliorations de qualité des couches minces d'oxyde métallique supérieures nécessitent un traitement thermique à des températures élevées, ce qui ferait fondre le substrat de verre sous-jacent. Aujourd'hui, une équipe du HZB-Institute for Solar Fuels a résolu ce dilemme :une impulsion lumineuse rapide et de haute intensité chauffe directement le film mince d'oxyde métallique semi-conducteur, permettant d'atteindre les conditions de chauffage optimales sans endommager le substrat.

L'énergie solaire peut entraîner directement des réactions électrochimiques à la surface des photoélectrodes. Les photoélectrodes sont constituées de couches minces semi-conductrices sur des substrats de verre conducteur transparent qui convertissent la lumière en électricité. La plupart des études photoélectrochimiques se sont concentrées sur la séparation de l'eau, une réaction thermodynamique ascendante qui pourrait offrir une voie intéressante pour la capture et le stockage à long terme de l'énergie solaire en produisant de l'hydrogène "vert".

Les photoélectrodes à couche mince d'oxyde métallique sont particulièrement intéressantes pour ces diverses fonctions. Ils comprennent des éléments abondants, offrant potentiellement une adaptabilité infinie pour obtenir les propriétés souhaitées, à des coûts potentiellement faibles.

Fabriqué à partir de plasma

Au HZB Institute for Solar Fuels, plusieurs équipes se concentrent sur le développement de telles photoélectrodes. La méthode habituelle pour les produire est le dépôt laser pulsé :une impulsion laser intense frappe une cible contenant le matériau et l'ablate en un plasma hautement énergétique déposé sur un substrat.

La qualité a besoin de chaleur

D'autres étapes sont nécessaires pour améliorer la qualité du film mince déposé. En particulier, le traitement thermique du film mince d'oxyde métallique réduit les défauts et les imperfections. Cependant, cela crée un dilemme :la réduction de la concentration des défauts atomiques et l'amélioration de l'ordre cristallin des couches minces d'oxyde métallique nécessiteraient des températures de traitement thermique comprises entre 850 et 1 000 degrés Celsius, mais le substrat de verre fond déjà à 550 degrés Celsius.

Chauffage éclair du film mince

Le Dr Ronen Gottesman de l'Institut HZB pour les combustibles solaires a maintenant résolu ce problème :après le dépôt, à l'aide de lampes à haute puissance, il chauffe le film mince d'oxyde métallique. Cela le chauffe jusqu'à 850 degrés Celsius sans faire fondre le substrat de verre sous-jacent.

"La chaleur réduit efficacement les défauts structurels, les états de piège, les joints de grains et les impuretés de phase, qui deviendraient plus difficiles à atténuer avec un nombre croissant d'éléments dans les oxydes métalliques. Par conséquent, de nouvelles approches de synthèse innovantes sont essentielles. Nous avons maintenant démontré ceci sur des photoélectrodes en Ta₂ O₅ , TiO₂ , et WO₃ , que nous avons chauffé à 850 °C sans endommager les substrats", explique Gottesman.

Performance record pour α-SnWO₄

La nouvelle méthode a également été couronnée de succès avec un matériau de photoélectrode considéré comme un très bon candidat pour la séparation de l'eau solaire :α-SnWO₄ . Le chauffage au four conventionnel laisse derrière lui des impuretés de phase. Le chauffage par traitement thermique rapide (RTP) a amélioré la cristallinité, les propriétés électroniques et les performances, menant à une nouvelle performance record de 1 mA/cm ² pour ce matériau, supérieur de 25 % au précédent record.

"C'est également intéressant pour la production de boîtes quantiques ou de pérovskites halogénées, qui sont également sensibles à la température", explique Gottesman.

La recherche a été publiée dans ACS Energy Letters . + Explorer plus loin

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