Certains oxydes métalliques sont considérés comme de bons candidats pour les photocatalyseurs pour produire de l’hydrogène vert avec la lumière du soleil. Une équipe chinoise vient de publier des résultats passionnants sur les particules d’oxyde de cuivre(I) dans Nature, auxquels une méthode développée au HZB a largement contribué. La spectroscopie photovoltaique de surface transitoire a montré que les porteurs de charge positifs sur les surfaces sont piégés par des défauts au cours de microsecondes. Les résultats fournissent des indices pour augmenter l’efficacité des photocatalyseurs.
La séparation de l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide de particules photocatalytiques actives pourrait produire à l’avenir de l’hydrogène vert à moindre coût : la lumière du soleil active les porteurs de charge dans les photocatalyseurs, dont la séparation spatiale joue un rôle décisif dans la séparation photocatalytique de l’eau. Cependant, les photocatalyseurs d’aujourd’hui sont encore soit très chers, soit peu efficaces.
Candidats aux catalyseurs
Les particules d’oxydes métalliques sont considérées comme des candidats à fort potentiel. Cependant, lorsque les porteurs de charge sont activés par la lumière, plusieurs processus se chevauchent qui se déroulent à des vitesses et à des échelles spatiales différentes. Pour observer de tels processus expérimentalement, des méthodes sont nécessaires qui offrent des résolutions temporelles jusqu’à la femtoseconde, mais qui peuvent également observer des processus plus longs qui se produisent en quelques microsecondes et plus lentement. Ceci a maintenant été réalisé sur des particules d’oxyde de cuivre (I) microcristallin par une équipe dirigée par Fengtao Fan et Can Li du Dalian National Laboratory for Clean Energy, en Chine.
Processus rapides et lents
À l’aide d’images de microscopie électronique à photoémission à résolution temporelle successives rapides, les scientifiques ont montré que l’un de ces processus se produit extrêmement rapidement dans Cu2Particules O — en moins de picosecondes (10-12 s) : après excitation lumineuse, les électrons sont transférés de manière quasi-balistique vers les facettes {001} de Cu2O particules.
Cependant, pour observer expérimentalement un second processus, une méthode différente était nécessaire : car les « trous » photogénérés migrent vers les facettes {111} et y sont piégés par des défauts. Thomas Dittrich a pu observer cet important processus en utilisant la spectroscopie photovoltaique de surface transitoire (spectroscopie SPV), une méthode qu’il a développée au HZB. « Nous avons constaté que le piégeage des trous se produisait relativement lentement, en quelques microsecondes », explique-t-il.
Haute résolution temporelle sur une large plage
Pris ensemble, les résultats permettent pour la première fois d’étudier et de mieux comprendre les processus qui limitent la photocatalyse sur les particules microcristallines à haute résolution spatiale et temporelle sur de larges plages.
Méthode polyvalente pour analyser les semi-conducteurs
« Avec la spectroscopie SPV transitoire, nous pouvons également étudier d’autres semi-conducteurs et interfaces qui sont pertinents, par exemple, pour des applications allant du photovoltaïque et de la photocatalyse à l’électronique haute performance », explique Dittrich. Des informations intéressantes sur les processus de relaxation peuvent également être obtenues à partir de semi-conducteurs organiques ou de semi-conducteurs à bande ultra large tels que le diamant. « Peut-être que notre publication dans Nature fait passer le message à quel point cette méthode polyvalente peut être utile », déclare Dittrich.
Manuel : « Materials Concepts for Solar Cells », Imperial College Press (2014), 552 pages. ISBN : 978-1783264445
Le manuel écrit par Thomas Dittrich et Steffen Fengler présente entre autres sujets la méthode de spectroscopie SPV.
