Cette technique permet de détecter la corrosion des matériaux des cellules solaires à l'état réel, révélant ainsi les défauts cachés qui réduisent considérablement leur durée de vie.
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Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Hereon a démontré comment une technique classique peut être adaptée pour mesurer en temps réel la dégradation des matériaux des photoélectrodes. Cette nouvelle méthode permet une détection continue et précise des pertes de matière, même minimes. La technique permet de déterminer directement les taux de dégradation des matériaux dans des conditions de fonctionnement réalistes. Les chercheurs ont présenté leur innovation dans un article récent de la revue EES Solar .
Les dispositifs photoélectrochimiques peuvent convertir la lumière solaire en composés chimiques précieux tels que l'hydrogène, l'éthylène ou l'ammoniac. Cependant, leur application pratique a jusqu'à présent été limitée par la dégradation, c'est-à-dire la corrosion, des matériaux utilisés en cours de fonctionnement. La dynamique de ce processus reste encore mal comprise : à quelle vitesse progresse-t-il et quelles conditions l'influencent ?
La méthode d'ellipsométrie spectroscopique operando apporte désormais une réponse à ces questions : elle permet, pour la première fois, de suivre la corrosion des photoélectrodes en temps réel et avec une grande précision. Cette technique mesure des variations infimes d'épaisseur de couche – de l'ordre de quelques nanomètres – sur toute la surface de l'électrode, tandis que le dispositif fonctionne sous différentes conditions électrochimiques et sous un éclairage variable.
Aperçus des processus de dégradation dynamique
Pour démontrer comment la méthode détecte la dégradation des matériaux dans les composants électrochimiques photo-activés, l'équipe s'est concentrée sur des couches ultra-minces de dioxyde de titane. Ce matériau est largement utilisé dans les technologies énergétiques, notamment dans les photoélectrodes pour la production d'hydrogène, les cellules solaires et les systèmes photocatalytiques. Les chercheurs ont produit ces couches avec différentes structures internes et ont observé leur évolution en conditions réelles d'utilisation.
Ceci leur a permis de déterminer que la structure interne du matériau joue un rôle crucial. Les couches amorphes et désordonnées se dégradent sous la lumière du soleil environ 14 fois plus vite que les couches cristallines et bien ordonnées, car elles transportent les charges électriques moins efficacement. En mesurant directement ces effets dans des conditions de fonctionnement réalistes, cette technique de mesure apporte des informations importantes pour le développement de systèmes plus résilients.
Chercheurs satisfaits
« La capacité d'observer en temps réel les modifications des matériaux en fonctionnement ouvre des perspectives inédites pour identifier les mécanismes de dégradation avant qu'ils ne posent problème », explique la professeure Francesca Toma, directrice de l'Institut Hereon des matériaux fonctionnels pour le développement durable à Teltow, qui joue un rôle clé dans l'élaboration de ce concept de recherche. « Cela nous permet non seulement d'améliorer les matériaux existants, mais aussi de développer plus rapidement de nouveaux concepts répondant aux exigences futures des systèmes énergétiques durables. ».
Cette nouvelle méthode de mesure peut également être appliquée à de nombreux autres matériaux photoélectrochimiques et électrocatalytiques. Ainsi, cette recherche contribue de manière significative au développement des technologies énergétiques durables et soutient la transition énergétique.
Le docteur Mauricio Schieda, l'un des principaux auteurs de l'étude, ajoute : « Une plus grande stabilité se traduit par une consommation de matériaux réduite, des besoins de maintenance moindres et des coûts globaux inférieurs. Autant de conditions essentielles à l'adoption généralisée des technologies de conversion d'énergie par la lumière. »
https://www.hereon.de/communication_media/news/120651/index.php.en