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 estiment 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 de pointe 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 une couche de transport de 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 de l’ingénierie chimiques de l’EPFL.
Une 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, on a découvert que les états de queue de bande aidaient le transport des trous dans le CuSCN à permettre une conduction douce 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 de tous les tandems à double absorbeur à base de Cu2O.
L’étude présente une avancée claire et impressionnante au-delà des photocathodes Cu2O de pointe, qui peut contribuer et inspirer le développement futur dans ce domaine.
« Bien que les chiffres les plus élevés soient atteints avec le matériau oxyde dans ce travail, nous pensons que des valeurs plus élevées ne sont pas loin« , déclare Pan Lingfeng, le premier auteur du document. « Au moins trois aspects sont jugés non optimaux, mais il est tout à fait possible de les améliorer. La valeur d’efficacité se rapproche de plus en plus de celle qui était auparavant considérée comme le seuil de commercialisation« .
Reference 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
