Les ingénieurs en matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont fait une découverte surprenante qui pourrait considérablement améliorer la durée de vie des dispositifs de récupération d'énergie solaire.

Les résultats leur ont permis d'atteindre la durée de vie la plus longue jamais enregistrée pour un composant clé de certains types de cellules photovoltaïques appelé électrode photoélectrochimique, qui utilise la lumière du soleil pour diviser l'eau en ses éléments constitutifs d'hydrogène et d'oxygène.

Dans un article publié le 24 juillet, 2018, dans la revue de recherche Lettres nano , une équipe dirigée par UW-Madison Ph.D. en science et ingénierie des matériaux. l'étudiant Yanhao Yu et son conseiller, Professeur Xudong Wang, ont décrit une stratégie qui a prolongé la durée de vie d'une électrode photochimique à 500 heures, soit plus de cinq fois la durée de vie typique de 80 heures.

D'habitude, ces types d'électrodes sont en silicium, qui divise bien l'eau, mais est très instable et se dégrade rapidement lorsqu'il entre en contact avec des conditions corrosives. Pour protéger ces électrodes, les ingénieurs enduisent souvent finement leurs surfaces.

C'est une tactique qui ne fait que retarder leur éventuelle panne, parfois après quelques jours et parfois en quelques heures.

"Les performances varient considérablement et personne ne sait vraiment pourquoi. C'est une grande question, " dit Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison.

Curieusement, les chercheurs n'ont apporté aucune modification au matériau de revêtement. Plutôt, ils ont augmenté la durée de vie de l'électrode en appliquant une couche de dioxyde de titane encore plus fine que d'habitude.

En d'autres termes, moins était vraiment plus.

La clé de cette performance exceptionnelle a été la découverte par l'équipe de la structure atomique des films minces de dioxyde de titane, que les chercheurs créent en utilisant une technique appelée dépôt de couche atomique.

Précédemment, les chercheurs pensaient que les atomes dans les films minces de dioxyde de titane adoptaient l'une des deux conformations :brouillé et désordonné dans un état appelé « amorphe, " ou enfermé dans un arrangement prévisible et répétitif appelé la forme cristalline.

Surtout, les chercheurs étaient certains que tous les atomes d'un film mince donné se comportaient de la même manière. Cristallin ou amorphe. Noir ou blanc. Pas d'entre-deux.

Ce que les collègues de Wang ont trouvé, cependant, est une zone grise :ils ont vu que de petites poches d'un état intermédiaire persistaient dans les revêtements finaux - la structure atomique dans ces zones n'était ni amorphe ni cristalline. Ces intermédiaires n'ont jamais été observés auparavant.

« C'est une pointe de la science de la synthèse des matériaux, " dit Wang. "Nous pensons que la cristallisation n'est pas aussi simple qu'on le croit."

Observer ces intermédiaires n'a pas été une mince affaire. Entre le collègue de Wang, Paul Voyles, un expert en microscopie qui a tiré parti des installations uniques d'UW-Madison pour effectuer des mesures sophistiquées de microscopie électronique à transmission à balayage, lui permettant de détecter les minuscules structures.

De là, les chercheurs ont déterminé que ces intermédiaires réduisaient la durée de vie des films minces de dioxyde de titane en provoquant des pointes de courant électronique qui mangeaient de minuscules trous dans les revêtements protecteurs.

L'élimination de ces intermédiaires, prolongeant ainsi la durée de vie du revêtement, est aussi simple que d'utiliser un film plus fin.

Des films plus minces rendent plus difficile la formation d'intermédiaires dans le film, donc en réduisant l'épaisseur des trois quarts (de 10 nanomètres à 2,5), les chercheurs ont créé des revêtements qui duraient plus de cinq fois plus longtemps que les revêtements traditionnels.

Et maintenant qu'ils ont découvert ces structures particulières, les chercheurs veulent en savoir plus sur la façon dont ils forment et influencent les propriétés des films amorphes. C'est une connaissance qui pourrait révéler d'autres stratégies pour les éliminer, qui non seulement pourraient améliorer les performances, dit Wang, mais aussi ouvrir de nouvelles opportunités dans d'autres systèmes liés à l'énergie, tels que les catalyseurs, cellules solaires et batteries.

"Ces intermédiaires pourraient être quelque chose de très important qui a été négligé, ", dit Wang. "Ils pourraient être un aspect critique qui contrôle les propriétés du film."