Posté par Isabelle le Mardi 10/05/2022 à 13:00

Une nouvelle famille de matériaux pour la production d'hydrogène ''vert''

Des scientifiques ont montré comment des photo-électrodes constituées d'un matériau hybride semiconducteur/métallique peuvent produire de l'hydrogène en utilisant l'énergie solaire de manière efficace et pour un faible coût.

Représentation schématique d’une photo-électrode associant une couche mince (typiquement 1µm) de semi-conducteur III-V (rose) et un substrat de Si (violet), pouvant servir en anode ou en cathode. [La surface supérieure de la photo-électrode, composée de matériaux III-V, est en contact avec l’électrolyte, et la surface inférieure du substrat de Si est en contact avec un matériau conducteur, connecté à la contre-électrode.] Le cristal III-V contient des parois (jaune) qui possèdent un caractère métallique, contrairement aux domaines principaux du matériau (rose) qui ont un comportement semi-conducteur. © Charles Cornet

L'hydrogène est un bon vecteur de stockage, de transport et de production d'énergie ''verte'', car il suffit de le recombiner avec de l'oxygène pour produire de l'électricité ou de la chaleur, en ne dégageant que de l'eau. C'est ainsi, par exemple, qu'une pile à combustible alimente le moteur électrique d'un véhicule utilisant l'hydrogène comme carburant. Mais cette solution n'est avantageuse pour l'environnement que si l'hydrogène lui-même est produit de manière décarbonée (à l'aide d'énergies renouvelables par exemple), et non avec des énergies fossiles, comme c'est encore majoritairement le cas aujourd'hui.

C'est ce que propose une équipe de l'institut Fonctions optiques pour les technologies de l'information (FOTON, CNRS/Université de Rennes 1), en collaboration avec l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/ENSCR/Université de Rennes 1) et l'Institut de Physique de Rennes (IPR, CNRS/Université de Rennes 1), qui a démontré qu’il était possible de produire efficacement, et pour un faible coût, de l'hydrogène en utilisant l’énergie solaire pour réaliser l’électrolyse de l'eau. Ces résultats reposent sur l'utilisation d'une nouvelle famille de matériaux pour la réalisation de photo-électrodes. Ils sont publiés dans la revue Advanced Science.

Les chercheurs ont fabriqué des photo-électrodes par dépôt de couches minces de semiconducteurs III-V (GaP, GaAs, GaPSb...) sur un substrat de silicium. Ce type de technologie, envisagée depuis plusieurs années dans le domaine du photovoltaïque ou de la photonique, permet d'exploiter les bonnes performances optiques des matériaux III-V, tout en limitant le coût du dispositif. Mais elle a l'inconvénient d'engendrer des défauts cristallins dans le matériau III-V, qui limitent les performances des composants. L'originalité des travaux menés à l'institut FOTON est d'avoir montré que l'on pouvait exploiter les propriétés physiques de ces ''défauts'' pour obtenir des performances photo-électriques compétitives.

En effet, le matériau obtenu, hybride, est constitué d'une matrice photo-active, capable d'absorber les photons pour produire des charges électriques (des paires électron-trou), et d'inclusions de tailles nanométriques qui, en se comportant localement comme un métal, réalisent la séparation et le transport des charges électriques. Les performances expérimentales de ces photo-éléctrodes ont montré que cette famille de matériaux se révélait aussi performante pour la production d’hydrogène que des III-V massifs, pour un coût bien moindre.

Les chercheurs veulent maintenant réaliser une cellule photo-électro-chimique complète qui produira de l'hydrogène et de l'oxygène en utilisant les nouvelles photo-électrodes. Ils vont par ailleurs explorer d'autres applications possibles de ces nouveaux matériaux, pour la réalisation de capteurs, de cellules solaires, et de dispositifs photoniques.

Références:
Epitaxial III-V/Si Vertical Heterostructures with Hybrid 2D-Semimetal/Semiconductor Ambipolar and Photoactive Properties
L. Chen, Y. Léger, G. Loget, M. Piriyev, I. Jadli, S. Tricot, T. Rohel, R. Bernard, A. Beck, J. Le Pouliquen, P. Turban, P. Schieffer, C. Levallois, B. Fabre, L. Pedesseau, J. Even, N. Bertru, and C. Cornet.
Advanced Science 2022, 9, 2101661.
https://doi.org/10.1002/advs.202101661
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL

Contacts:
- Charles Cornet - Professeur des Universités à l’Institut fonctions optiques pour les technologies de l'information (Institut FOTON, CNRS/Université Rennes 1) - charles.cornet at insa-rennes.fr
- Communication INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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