Des nanostructures pour une récolte efficace de la lumière
La séparation de l'eau photo-électrochimique est une voie très prometteuse et respectueuse de l'environnement pour la conversion de l'énergie solaire en hydrogène. Toutefois, la recombinaison rapide des transporteurs de charge reste le principal obstacle à l'amélioration de l'efficacité de la conversion. Dans le projet NFESEC («Nanophotonics for efficient solar-to-H2 energy conversion») financé par l'UE, des scientifiques ont développé de nouvelles nanoarchitectures photoniques pour améliorer la génération et la séparation des transporteurs de charge. Le bismuth vanadate (BiVO4) et les structures plasmoniques sont capables de manipuler et de confiner la lumière à l'échelle nanométrique, offrant de nouvelles opportunités pour stimuler l'efficacité de la conversion solaire-hydrogène. La principale raison de la recombinaison électron-trou dominante est la courte longueur de diffusion des transporteurs de charge photo-excités. Pour traiter ce problème, les scientifiques ont réalisé des études approfondies sur la nanostructure en mettant l'accent sur la réduction de la longueur de déplacement du transporteur de charge. Les structures photoniques telles que le BiVO4 ont une structure de bande adaptée à l'utilisation potentielle comme photoanode dans la séparation d'eau solaire. Les structures de base métalliques plasmoniques présentant une forte détection par résonance plasmonique de surface (surface plasmon resonance, SPR) agissent comme des antennes qui localisent l'énergie optique et contrôlent l'emplacement de la génération du transporteur de charge. L'interaction des champs électriques localisés autour des particules de métal plasmoniques avec un semi-conducteur à proximité ouvre la voie à la formation sélective de paires électron-trou. Les scientifiques ont combiné les opales inverses BiVO4 aux effets SPR des nanoparticules d'or, améliorant l'absorption de la lumière et la séparation du transporteur de charge. En ajoutant une sous-couche semi-conductrice sans motif dans la structure opale inverse, les scientifiques ont bloqué la perte de lumière due à la réflexion. Les nouvelles photo-anodes de NFESEC présentaient la densité la plus élevée parmi les anodes à base d'oxydes et plus de quatre fois supérieure à celle des photo-anodes planaires non structurées. Les résultats du projet contribuent au développement de nouvelles structures nanophotoniques aux propriétés physiques uniques capables de capter efficacement la lumière du soleil. Les nanoarchitectures des nouvelles photo-électrodes sont utilisées pour augmenter l'efficacité de la conversion solaire.
