Une zone grise inattendue pourrait engendrer des cellules solaires durables

Anonim

Les ingénieurs en matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont fait une découverte surprenante qui pourrait considérablement améliorer la durée de vie des dispositifs de récupération d'énergie solaire.

Les résultats leur ont permis d’atteindre la durée de vie la plus longue jamais atteinte pour un composant clé de certains types de cellules photovoltaïques, l’électrode photoélectrochimique, qui utilise la lumière du soleil pour diviser l’eau en ses composants constitués d’hydrogène et d’oxygène.

Dans un article publié le 24 juillet 2018 dans la revue scientifique Nano Letters, une équipe dirigée par UW-Madison, spécialiste des matériaux et de l'ingénierie des matériaux. Yanhao Yu, étudiant, et son conseiller, le professeur Xudong Wang, ont décrit une stratégie visant à prolonger de 500 heures la durée de vie d’une électrode photochimique, soit plus de cinq fois la durée de vie typique de 80 heures.

Habituellement, ces types d'électrodes sont constitués de silicium, qui fend bien l'eau, mais est très instable et se dégrade rapidement lorsqu'il entre en contact avec des conditions corrosives. Pour protéger ces électrodes, les ingénieurs enrobent souvent leurs surfaces.

C'est une tactique qui ne fait que retarder leur éventuelle panne, parfois après quelques jours et parfois quelques heures.

"Les performances varient énormément et personne ne sait vraiment pourquoi. C'est une grande question", déclare Wang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux chez UW-Madison.

Curieusement, les chercheurs n’ont apporté aucune modification au matériau de revêtement. Plutôt, ils ont augmenté la durée de vie de l'électrode en appliquant un revêtement encore plus mince de dioxyde de titane que d'habitude.

En d'autres termes, moins était vraiment plus.

La découverte de l'équipe sur la structure atomique des couches minces de dioxyde de titane, que les chercheurs créent à l'aide d'une technique appelée dépôt de couche atomique, a été la clé de cette performance exceptionnelle.

Auparavant, les chercheurs pensaient que les atomes contenus dans les couches minces de dioxyde de titane adoptaient l'une des deux conformations - brouillées et désordonnées dans un état appelé "amorphe" ou bloquées dans une disposition régulièrement répétable et prévisible appelée forme cristalline.

Les chercheurs étaient convaincus que tous les atomes d’un film mince se comportaient de la même manière. Cristallin ou amorphe. Noir ou blanc. Pas entre les deux.

Ce que Wang a découvert, cependant, est une zone grise: ils ont vu que de petites poches d'un état intermédiaire persistaient dans les revêtements finaux - la structure atomique dans ces zones n'était ni amorphe ni cristalline. Ces intermédiaires n'ont jamais été observés auparavant.

"C'est une technologie de pointe en matière de synthèse de matériaux", déclare Wang. "Nous pensons que la cristallisation n'est pas aussi simple que les gens croient."

Observer ces intermédiaires n'était pas une mince affaire. Entrez le collègue de Wang, Paul Voyles, un expert en microscopie qui a exploité les installations uniques de UW-Madison pour effectuer des mesures sophistiquées de microscopie électronique à transmission par balayage, lui permettant de détecter les minuscules structures.

À partir de là, les chercheurs ont déterminé que ces intermédiaires réduisaient la durée de vie des couches minces de dioxyde de titane en provoquant des pics de courant électronique qui absorbaient de minuscules trous dans les revêtements protecteurs.

L'élimination de ces intermédiaires, prolongeant ainsi la durée de vie du revêtement, est aussi simple que l'utilisation d'un film plus fin.

Les films plus fins rendent plus difficile la formation de produits intermédiaires dans le film. En réduisant l'épaisseur de trois quarts (de 10 à 2, 5 nanomètres), les chercheurs ont créé des revêtements qui ont duré plus de cinq fois plus longtemps que les revêtements traditionnels.

Et maintenant qu'ils ont découvert ces structures particulières, les chercheurs veulent en savoir plus sur leur formation et leur influence sur les propriétés des films amorphes. C'est une connaissance qui pourrait révéler d'autres stratégies pour les éliminer - ce qui pourrait non seulement améliorer les performances, dit Wang, mais également ouvrir de nouvelles opportunités dans d'autres systèmes liés à l'énergie, tels que les catalyseurs, les cellules solaires et les batteries.

"Ces intermédiaires pourraient être quelque chose de très important qui a été négligé", déclare Wang. "Ils pourraient être un aspect critique qui contrôle les propriétés du film."

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