(PhysOrg.com) -- Une nouvelle stratégie d'ingénierie des matériaux semi-conducteurs peut augmenter les performances des cellules solaires à séparation d'eau pour la production d'hydrogène, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Californie, Santa Cruz.

L'utilisation de la lumière du soleil pour diviser l'eau en hydrogène et en oxygène est potentiellement un moyen propre et durable de générer de l'hydrogène pour les véhicules à pile à combustible. Les cellules photovoltaïques utilisent l'énergie solaire pour produire de l'électricité, et l'électricité peut être utilisée pour diviser l'eau par électrolyse. Mais une approche plus directe et efficace est fournie par les cellules photoélectrochimiques (PEC), qui utilisent l'énergie solaire pour générer de l'hydrogène à l'intérieur de la cellule elle-même.

Les chercheurs de l'UCSC se sont concentrés sur le matériau semi-conducteur utilisé comme anode absorbant la lumière dans la cellule PEC. Ils ont combiné deux techniques, appelées dopage élémentaire et sensibilisation aux points quantiques, qui ont été utilisées pour améliorer les performances des semi-conducteurs à oxyde métallique dans les cellules solaires. Ces techniques utilisent la nanotechnologie pour manipuler la structure d'un matériau à l'échelle du milliardième de mètre.

Travaux antérieurs dans le laboratoire de Jin Zhang, professeur de chimie et biochimie à l'UCSC, ont montré que cette combinaison de techniques a un effet synergique, améliorant considérablement les performances des cellules photovoltaïques (voir l'article précédent). Dans la nouvelle étude, Zhang a fait équipe avec Yat Li, professeur assistant de chimie et biochimie, pour tester la même stratégie dans une cellule PEC.

"Le dopage élémentaire et la sensibilisation aux points quantiques sont deux techniques différentes qui fonctionnent bien par elles-mêmes. Nous avons découvert que nous pouvons les combiner pour obtenir un effet synergique, " a déclaré Li. " Nous avons non seulement étendu cette idée à une cellule photoélectrochimique pour la génération d'hydrogène, nous avons également proposé un nouveau modèle pour expliquer les données expérimentales observées."

Zhang a noté qu'un travail plus théorique est nécessaire pour bien comprendre les mécanismes impliqués. « La compréhension des mécanismes nous permettra d'optimiser les effets, " dit-il. " Le modèle que nous avons proposé dans le premier article était très préliminaire, mais les nouveaux résultats nous ont aidés à affiner notre modèle."

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans le journal Lettres nano dans un article publié en ligne le 25 janvier. Les auteurs principaux de l'article étaient Jennifer Hensel, un étudiant diplômé du laboratoire de Zhang, et Gongming Wang, un étudiant diplômé du laboratoire de Li.

Les chercheurs ont synthétisé des couches minces de nanoparticules de dioxyde de titane, ainsi que des réseaux de nanofils de dioxyde de titane alignés verticalement dans un film mince sur un substrat. Les films de dioxyde de titane ont été dopés à l'azote, et des nanoparticules de séléniure de cadmium ont été utilisées pour la sensibilisation par points quantiques. Les matériaux composites nanostructurés résultants ont ensuite été utilisés comme photoanodes dans une cellule PEC pour comparer leurs performances dans des expériences soigneusement contrôlées.

Les résultats sont une démonstration importante du potentiel d'amélioration des performances des cellules photoélectrochimiques, ainsi que des cellules solaires photovoltaïques, en utilisant des matériaux soigneusement conçus, dit Zhang. « La clé est que combiner différentes approches de manière rationnelle peut augmenter considérablement les performances, " il a dit.