Les photoanodes en alpha-SnWO4 promettent des rendements élevés – Technoguide

Les photoanodes en oxydes métalliques sont considérées comme une solution viable pour la production d’hydrogène avec la lumière du soleil. α-SnWO4 a des propriétés électroniques optimales pour la séparation photoélectrochimique de l’eau avec la lumière du soleil, mais se corrode facilement. Les couches protectrices d’oxyde de nickel empêchent la corrosion, mais réduisent la tension photovoltaïque et limitent l’efficacité. Désormais, une équipe de HZB a étudié à BESSY II ce qui se passe à l’interface entre la photoanode et la couche protectrice. Combinées à des méthodes théoriques, les données de mesure révèlent la présence d’une couche d’oxyde qui altère l’efficacité de la photoanode.

L’hydrogène est un facteur important dans un système énergétique durable. Le gaz stocke l’énergie sous forme chimique et peut être utilisé de nombreuses manières: comme combustible, comme matière première pour d’autres combustibles et produits chimiques ou même pour produire de l’électricité dans des piles à combustible. Une solution pour produire de l’hydrogène de manière climatiquement neutre est la division électrochimique de l’eau à l’aide de la lumière du soleil. Cela nécessite des photoélectrodes qui fournissent un photovoltaïque et un photocourant lorsqu’elles sont exposées à la lumière et en même temps ne se corrodent pas dans l’eau. Les composés d’oxyde métallique ont des conditions préalables prometteuses pour cela. Par exemple, les dispositifs solaires de séparation de l’eau utilisant des photoélectrodes de vanadate de bismuth (BiVO4) atteignent déjà aujourd’hui ~ 8% d’efficacité solaire-hydrogène, ce qui est proche du maximum théorique du matériau de 9%.

La limite théorique est de 20% dans α-SnWO4

Pour atteindre des rendements supérieurs à 9%, de nouveaux matériaux avec une bande interdite plus petite sont nécessaires. L’oxyde métallique α-SnWO4 a une bande interdite de 1,9 eV, ce qui est parfaitement adapté à la division photoélectrochimique de l’eau. Théoriquement, une photoanode constituée de ce matériau pourrait convertir ~ 20% de la lumière solaire irradiée en énergie chimique (stockée sous forme d’hydrogène). Malheureusement, le composé se dégrade très rapidement dans un environnement aqueux.

La protection contre la corrosion a un prix

De minces couches d’oxyde de nickel (NiOx) peuvent protéger la photoanode α-SnWO4 de la corrosion, mais se sont avérées également réduire considérablement la tension photovoltaïque. Pour comprendre pourquoi c’est le cas, une équipe dirigée par le Dr Fatwa Abdi de l’Institut HZB pour les combustibles solaires a analysé en détail l’interface α-SnWO4 / NiOx à BESSY II.

Interface explorée à BESSY II

«Nous avons étudié des échantillons avec différentes épaisseurs de NiOx avec spectroscopie photoélectronique à rayons X durs (HAXPES) à BESSY II et interprété les données mesurées avec les résultats de calculs et de simulations», explique Patrick Schnell, premier auteur de l’étude et doctorant en l’école internationale de recherche HI-SCORE du HZB. “Ces résultats indiquent qu’une fine couche d’oxyde se forme à l’interface, ce qui réduit le photovoltaïque”, explique Abdi.

Outlook: meilleures couches de protection

Dans l’ensemble, l’étude fournit de nouvelles informations fondamentales sur la nature complexe des interfaces dans les photoélectrodes à base d’oxyde métallique. «Ces informations sont très utiles pour le développement de photoélectrodes à oxyde métallique évolutives à faible coût», déclare Abdi. L’α-SnWO4 est particulièrement prometteur à cet égard. “Nous travaillons actuellement sur un procédé de dépôt alternatif de NiOx sur α-SnWO4 qui ne conduira pas à la formation d’une couche d’oxyde interfaciale, qui sera probablement du SnO2. Si cela réussit, nous prévoyons que les performances photoélectrochimiques de α – SnWO4 augmentera considérablement. “

Source de l’histoire:

Matériaux fournis par Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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