L'efficacité photoélectrochimique de la séparation de l'eau à 4,5%

Tandem PEC-PV à base de photocathode Cu2O offrant un rendement de 4,55 % de l'énergie solaire à l'hydrogène. Crédit : P. Linfeng/EPFL

Tandem PEC-PV à base de photocathode Cu2O offrant un rendement de 4,55 % de l'énergie solaire à l'hydrogène. Crédit : P. Linfeng/EPFL

La conversion de l'énergie solaire en carburant offre une technologie prometteuse pour résoudre les problèmes énergétiques, mais le rendement des appareils pourrait être limité par une absorption indésirable de la lumière du soleil. Les chercheurs montrent que le thiocyanate de cuivre peut faciliter le transport des trous dans les photoélectrodes à oxyde et permettre une efficacité de 4,55 % de la conversion du solaire à l'hydrogène dans les dispositifs en tandem.

La séparation de l'eau par photo-électrochimie (PEC) pour la production d'hydrogène a été considérée comme le Saint Graal de l'électrochimie. Mais pour y parvenir, de nombreux scientifiques pensent que les matériaux doivent être abondants et peu coûteux. 

Les photocathodes à oxyde les plus prometteuses sont les photoélectrodes à oxyde cuivreux (Cu2O). En 2018 et 2019, les chercheurs de l'EPFL ont atteint des performances de pointe avec l'oxyde cuivreux, rivalisant avec les photocathodes photovoltaïques (PV) à base de semi-conducteurs. 

Mais il manquait encore une pièce au puzzle. Même les photocathodes Cu2O les plus modernes utilisent encore des contacts métalliques (cuivre ou or), permettant une recombinaison électron-trou considérable. Parmi les autres inconvénients, citons le coût élevé et le fait que le contact métallique ne laisse pas passer la lumière solaire non absorbée. 

Aujourd'hui, les scientifiques de l'EPFL montrent pour la première fois que le thiocyanate de cuivre (CuSCN) peut être utilisé comme couche de transport des trous (HTL) transparente et efficace pour les photocathodes Cu2O, avec des performances globales améliorées. La recherche a été menée par les professeurs Anders Hagfeldt, Michael Grätzel et Kevin Sivula à l'Institut des sciences et ingénierie chimiques de l'EPFL.

L'analyse détaillée de deux types de CuSCN a montré qu'une structure défectueuse pouvait être bénéfique pour la conduction des trous. De plus, en raison de l'alignement coïncident entre les bandes de valence du CuSCN et du Cu2O, le transport de trous assisté par les états de queue de bande dans le CuSCN a été découvert pour permettre une conduction lisse des trous tout en bloquant efficacement le transport des électrons. 

Les avantages optiques du CuSCN ont également été démontrés par un tandem PEC-PV autonome offrant un rendement solaire-hydrogène de 4,55 %. Ce rendement (4,55 % pendant 12 h) est actuellement le plus élevé parmi tous les tandems à double absorption à base de Cu2O.

L'étude présente une avancée claire et impressionnante au-delà des photocathodes à base de Cu2O de pointe, qui peut contribuer et inspirer le développement futur dans le domaine. 

"Bien que les chiffres les plus élevés soient atteints avec le matériau d'oxyde dans ce travail, nous pensons que des valeurs plus élevées ne sont pas loin ", dit Pan Lingfeng, le premier auteur du document. " Au moins trois aspects ne sont pas jugés optimaux, mais il est tout à fait possible de les améliorer. La valeur de l'efficacité se rapproche de plus en plus de celle qui était auparavant considérée comme le seuil de la commercialisation".

Funding

Fonds national suisse de la recherche scientifique, Coopération scientifique et technologique sino-suisse, Programme stratégique nippo-suisse de science et de technologie

References

Linfeng Pan, Yuhang Liu, Liang Yao, Dan Ren, Kevin Sivula, Michael Graetzel, Anders Hagfeldt. Cu2O photocathodes with Band-tail States Assisited Hole Transport for Standalone Solar Water Splitting. Nature Communications 16 January 2020. DOI: 10.1038/s41467-019-13987-5