Il s'agit d'une image au microscope électronique à balayage d'îlots de nickel sur silicium protégés par un film de dioxyde de titane. Crédit :Shu Hu/Caltech
Des chercheurs du monde entier essaient de développer des générateurs solaires capables de diviser l'eau, produisant de l'hydrogène gazeux qui pourrait être utilisé comme carburant propre. Un tel dispositif nécessite des matériaux absorbant la lumière efficaces qui attirent et retiennent la lumière du soleil pour entraîner les réactions chimiques impliquées dans la division de l'eau. Les semi-conducteurs comme le silicium et l'arséniure de gallium sont d'excellents absorbeurs de lumière, comme le montre clairement leur utilisation généralisée dans les panneaux solaires. Cependant, ces matériaux rouillent lorsqu'ils sont immergés dans le type de solutions aqueuses que l'on trouve dans de tels systèmes.
Les chercheurs de Caltech du Centre commun pour la photosynthèse artificielle (JCAP) ont mis au point une méthode pour protéger ces semi-conducteurs courants de la corrosion, même si les matériaux continuent d'absorber efficacement la lumière. Cette découverte ouvre la voie à l'utilisation de ces matériaux dans des générateurs solaires.
« Pendant près d'un demi-siècle, ces matériaux ont été considérés comme non autorisés pour ce type d'utilisation, " dit Nate Lewis, le professeur George L. Argyros et professeur de chimie à Caltech, et le chercheur principal sur le papier. "Mais nous n'avons pas renoncé à développer des schémas par lesquels nous pourrions les protéger, et maintenant, ces semi-conducteurs importants sur le plan technologique sont de retour sur la table."
La recherche, dirigé par Shu Hu, un post-doctorant en chimie à Caltech, paraît dans le numéro du 30 mai de la revue Science .
Dans le type de générateur solaire intégré que JCAP s'efforce de produire, deux demi-réactions doivent avoir lieu, l'une impliquant l'oxydation de l'eau pour produire de l'oxygène gazeux; l'autre impliquant la réduction de l'eau, produisant de l'hydrogène gazeux. Chaque demi-réaction nécessite à la fois un matériau absorbant la lumière pour servir de photoélectrode et un catalyseur pour conduire la chimie. En outre, les deux réactions doivent être physiquement séparées par une barrière pour éviter de produire un mélange explosif de leurs produits.
Historiquement, il a été particulièrement difficile de proposer un matériau absorbant la lumière qui réalisera de manière robuste la demi-réaction d'oxydation. Des chercheurs ont essayé, sans grand succès, une variété de matériaux et de nombreuses techniques pour revêtir les semi-conducteurs absorbant la lumière courants. Le problème est que si la couche protectrice est trop fine, la solution aqueuse pénètre et corrode le semi-conducteur. Si, d'autre part, la couche est trop épaisse, il empêche la corrosion mais empêche également le semi-conducteur d'absorber la lumière et empêche les électrons de traverser pour atteindre le catalyseur qui entraîne la réaction.
Chez Caltech, les chercheurs ont utilisé un processus appelé dépôt de couche atomique pour former une couche de dioxyde de titane (TiO2) - un matériau présent dans la peinture blanche et de nombreux dentifrices et crèmes solaires - sur des monocristaux de silicium, arséniure de gallium, ou le phosphure de gallium. La clé était qu'ils utilisaient une forme de TiO2 connue sous le nom de « TiO2 qui fuit », car il fuit de l'électricité. Fabriqué pour la première fois dans les années 1990 en tant que matériau pouvant être utile pour la construction de puces informatiques, les oxydes qui fuient ont été rejetés comme indésirables en raison de leur comportement de fuite de charge. Cependant, Les fuites de TiO2 semblent être exactement ce qui était nécessaire pour cette application de générateur à combustible solaire. Déposé sous forme de film, d'épaisseur comprise entre 4 et 143 nanomètres, le TiO2 est resté optiquement transparent sur les cristaux semi-conducteurs - leur permettant d'absorber la lumière - et les a protégés de la corrosion mais a permis aux électrons de passer avec une résistance minimale.
Le chercheur postdoctoral de Caltech, Shu Hu, montre comment effectuer des mesures photoélectrochimiques d'une pile à combustible solaire. Crédit :Robert Paz
En plus du TiO2, les chercheurs ont déposé des "îles" de 100 nanomètres d'épaisseur d'un abondant, matériau d'oxyde de nickel peu coûteux qui a catalysé avec succès l'oxydation de l'eau pour former de l'oxygène moléculaire.
Le travail semble maintenant faire une multitude de choix disponibles en tant que matériaux absorbant la lumière possibles pour le côté oxydation de l'équation de séparation de l'eau. Cependant, soulignent les chercheurs, on ne sait pas encore si le revêtement protecteur fonctionnerait aussi bien s'il était appliqué à l'aide d'un technique d'application moins maîtrisée, comme peindre ou pulvériser le TiO2 sur un semi-conducteur. Aussi, jusqu'ici, l'équipe de Caltech n'a testé les semi-conducteurs revêtus que pendant quelques centaines d'heures d'éclairage continu.
« C'est déjà un record en termes d'efficacité et de stabilité pour ce domaine, mais nous ne savons pas encore si le système échoue à long terme et essayons de faire en sorte que nous fabriquions quelque chose qui durera des années sur de grandes surfaces, contrairement aux semaines, " dit Lewis. "C'est la prochaine étape."
