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Une autre approche, qui fait l'objet d'études par le Professeur Avner Rothschild du Technion et son groupe de recherche, consiste à utiliser des cellules photoélectrochimiques pour convertir la lumière du soleil non pas en électricité, mais en hydrogène carburant produit par la division des molécules d'eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). L'hydrogène stocké peut être utilisé ultérieurement pour produire de l'électricité ou pour d'autres usages tels que le chauffage, l'alimentation de véhicules électriques à pile à combustible et divers processus industriels tels que la fabrication d'acier, le raffinage pétrochimique et la production d'ammoniac.

Au cœur des cellules solaires photovoltaïques et photoélectrochimiques se trouve un photoabsorbeur semi-conducteur - un matériau capable d'absorber les photons et de générer des porteurs de charge libres (électrons et trous) qui contribuent au photocourant. Mais là où les cellules solaires commerciales utilisent le silicium à cette fin, les cellules photoélectrochimiques doivent s'appuyer sur d'autres matériaux qui présentent une plus grande compatibilité avec les conditions dans lesquelles la cellule doit fonctionner, comme la stabilité dans les électrolytes aqueux. Un matériau prometteur à cet égard est l'hématite, une forme abondante d'oxyde de fer dont la composition chimique est similaire à celle de la rouille.

Jusqu'à présent, cependant, l'hématite a frustré les scientifiques : malgré une demi-décennie de recherches, les chercheurs ont pu obtenir de ce matériau moins de 50 % de l'efficacité de conversion de l'énergie solaire prévue par la théorie. Dans un article publié dans Nature Materials, le groupe du professeur Rothschild explique pourquoi il en est ainsi et présente une nouvelle méthode d'évaluation de la limite d'efficacité réelle que l'on pourrait obtenir de l'hématite et d'autres semi-conducteurs.

Le groupe a postulé que la perte d'efficacité de l'hématite n'est pas uniquement due à la recombinaison des porteurs de charge, un effet bien connu qui peut être atténué par des techniques de nanostructuration et de piégeage de la lumière, mais qu'elle est également due à des effets internes d'interaction lumière-matière qui ne peuvent être atténués par ces approches. Selon leur hypothèse, une partie des électrons excités par les photons absorbés le sont dans des états électroniques qui ne peuvent pas se déplacer librement dans le matériau. Les photons absorbés qui donnent lieu à ces transitions électroniques localisées sont donc "gaspillés" sans contribuer au photocourant.

En utilisant un film d'hématite ultrafin (7 nm), le groupe a pu mesurer l'effet en corrélation avec la longueur d'onde, en extrayant le spectre de rendement de photogénération dépendant de la longueur d'onde. En collaboration avec le groupe de recherche du Professeur Roel van de Krol de l'Institut des combustibles solaires du Helmholtz-Zentrum de Berlin, ils ont mesuré une réponse spectrale similaire des porteurs de charge photogénérés par une autre technique basée sur les micro-ondes. L'obtention de résultats similaires par les deux méthodes différentes sert à vérifier la méthode et démontre que le rendement de la photogénération est une limite négligée, mais fondamentale, responsable de la sous-performance des photoélectrodes d'hématite pour la conversion et le stockage de l'énergie solaire.

La nouvelle méthode du groupe permettra de caractériser d'autres matériaux de la même manière que l'hématite, fournissant des informations sur les limites des différents matériaux et donnant accès à des informations sur l'interaction lumière-matière dans les matériaux à électrons corrélés avec des propriétés opto-électroniques non triviales. Cela ouvrira la voie à une construction plus efficace des cellules photoélectrochimiques, donnant accès à l'énergie renouvelable et au carburant hydrogène vert.

Les personnes suivantes ont participé à la recherche : Daniel Grave, scientifique au Département d'ingénierie des matériaux de l'Université Ben Gurion du Néguev ; David Ellis, Yifat Piekner, Hen Dotan, Asaf Kay et Avner Rothschild du Département d'ingénierie des matériaux. Avner Rothschild du Département de science et d'ingénierie des matériaux et du Grand Technion Energy Program du Technion ; ainsi que les Docteurs Moritz Kölbach, Patrick Schnell, Fatwa Abdi, Dennis Friedrich et le Professeur Roel van de Krol de l'Institut des combustibles solaires du Helmholtz-Zentrum Berlin. Les recherches qui ont abouti à ces résultats ont été financées par le PAT Center of Research Excellence, soutenu par la Fondation scientifique israélienne.