Hydrogène solaire : De meilleurs photoélectrodes grâce au chauffage rapide
"La chaleur réduit efficacement les défauts structurels, les états pièges, les joints de grains et les impuretés de phase".
Produire des films minces d'oxyde métallique à faible coût et de haute qualité électronique pour la séparation solaire de l'eau n'est pas une tâche facile. D'autant plus que l'amélioration de la qualité des couches minces d'oxyde métallique supérieures nécessite un traitement thermique à haute température, qui ferait fondre le substrat en verre sous-jacent. Aujourd'hui, une équipe du HZB-Institut 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, ce qui permet d'obtenir les conditions de chauffage optimales sans endommager le substrat.
Dépôt par laser pulsé : Une impulsion laser intense frappe une cible contenant le matériau, le transformant en un plasma qui est ensuite déposé sous forme de film mince sur un substrat.
© R. Gottesman/HZB
L'énergie solaire peut entraîner directement des réactions électrochimiques à la surface des photoélectrodes. Les photoélectrodes consistent en des films minces semi-conducteurs sur des substrats transparents en verre conducteur qui convertissent la lumière en électricité. La plupart des études photoélectrochimiques se sont concentrées sur la séparation de l'eau, une réaction thermodynamiquement 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 en couches minces d'oxydes métalliques sont particulièrement intéressantes pour ces diverses fonctions. Elles sont constituées d'éléments abondants, ce qui permet de les régler à l'infini pour obtenir les propriétés souhaitées, à des coûts potentiellement faibles.
Fabriquées à partir de plasma
Au HZB Institute for Solar Fuels, plusieurs équipes se concentrent sur le développement de ces photoélectrodes. La méthode habituelle pour les produire est le dépôt par 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 de la couche 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 films minces d'oxyde métallique nécessiteraient des températures de traitement thermique comprises entre 850 et 1000 degrés Celsius - mais le substrat en verre fond déjà à 550 degrés Celsius.
Chauffage instantané de la couche mince
Ronen Gottesman, de l'Institut HZB pour les combustibles solaires, a maintenant résolu ce problème : après le dépôt, il chauffe au flash le film mince d'oxyde métallique à l'aide de lampes à haute puissance. Il la 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 piégeage, les joints de grains et les impuretés de phase, qui deviendraient plus difficiles à atténuer avec l'augmentation du nombre d'éléments dans les oxydes métalliques. Par conséquent, de nouvelles approches de synthèse innovantes sont essentielles. Nous en avons fait la démonstration sur des photoélectrodes en Ta2O5, TiO2 et WO3, que nous avons chauffées à 850 °C sans endommager les substrats", explique M. 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 division de l'eau solaire : l'α-SnWO4. Le chauffage conventionnel au four laisse derrière lui des impuretés de phase. Le chauffage par traitement thermique rapide (RTP) a amélioré la cristallinité, les propriétés électroniques et les performances, ce qui a conduit à un nouveau record de performance de 1 mA/cm2 pour ce matériau, supérieur de 25 % au précédent record.
"Cela est également intéressant pour la production de points quantiques ou de perovskites d'halogénure, qui sont également sensibles à la température", explique M. Gottesman.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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