La conversion ascendante de photons pourrait élargir le potentiel de l’hydrogène solaire

Lorsqu’il s’agit de convertir la lumière du soleil en énergie utile, de nombreux efforts ont été concentrés sur les photovoltaïques, car il s’agit d’une méthode capable de transformer une grande partie de l’énergie solaire en électricité.

Cependant, cela ne signifie pas que c’est l’option la plus efficace pour toutes les applications. Par exemple, si l’objectif est de produire de l’hydrogène vert, cela crée un processus en plusieurs étapes où l’efficacité est perdue à chaque étape: lumière du soleil -> énergie -> transmission -> électrolyse -> hydrogène.

C’est pourquoi différentes approches ont été étudiées, notamment l’utilisation directe de la lumière du soleil pour convertir l’eau en hydrogène, un processus connu sous le nom de photocatalyse.

Le problème est que même avec les bons catalyseurs, la majeure partie de la lumière solaire se situe dans les gammes visible et infrarouge, qui ne sont tout simplement pas suffisamment énergétiques pour scinder les molécules d’eau en hydrogène. Ainsi, même avec silicon carbide boosting photocatalysis efficiency, ce n’est toujours pas idéal. En grande partie, seule la partie ultraviolet (UV) du spectre lumineux est suffisamment puissante.

C’est pourquoi la découverte réalisée par des chercheurs japonais de l’Université de Kyushu et de l’Institut des Sciences Moléculaires, SOKENDAI, selon laquelle une nouvelle méthode à l’état solide pourrait être utilisée pour augmenter les niveaux d’énergie des photons, pourrait changer la donne pour la production future d’hydrogène vert. Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Nature Communications¹, sous le titre « Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion ».

De la lumière visible aux UV

La photocatalyse de l’eau en hydrogène pourrait augmenter radicalement la production d’énergie verte. En effet, l’hydrogène vert est l’élément clé manquant pour stocker l’énergie pendant des semaines et des mois de faible ensoleillement ou d’absence de vent, et constitue également le carburant idéal pour décarboniser des secteurs comme le transport maritime et l’aviation, soit directement, soit via la production d’ammoniac et de carburant artificiel. Mais malheureusement, seul le UV est suffisamment puissant pour réaliser la photocatalyse.

« Bien que les photocatalyseurs inorganiques utilisant la lumière ultraviolette (UV) aient atteint une division de l’eau photocatalytique à haute efficacité, ils souffrent de la faible proportion d’UV dans la lumière solaire (environ 3 % pour la gamme 300–400 nm). »

Mais l’alternative pourrait ne pas être un meilleur catalyseur, mais la conversion de la lumière visible, beaucoup plus abondante, en UV, ou « conversion ascendante de photons ».

Les chercheurs se sont concentrés sur un processus appelé triplet–triplet annihilation-based photon upconversion (TTA-UC). Dans son explication la plus simple, cela fusionne deux photons de basse énergie en un seul photon de haute énergie en les faisant absorber par une molécule accepteur avant d’être réémis.

Source: Nature

Optimisation de la stabilité de la conversion ascendante de photons

Du liquide aux cristaux

Jusqu’à présent, les méthodes de conversion ascendante utilisant des molécules telles que 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) et 2,5-diphenyloxazole (PPO) offrent de bons rendements quantiques (ΦUC), mais la volatilité du solvant constitue une limitation critique pour les applications d’appareils et l’utilisation à long terme.

Une solution pratique consiste plutôt à disposer de matériaux stables pouvant être déployés à grande échelle, avec peu ou pas d’entretien, afin que d’énormes champs de convertisseurs photocatalytiques puissent être mis en place pour produire massivement de l’hydrogène vert.

Dans les cristaux et les accepteurs solides, un phénomène appelé « extinction du singulet » peut réduire le rendement quantique.

Les chercheurs ont utilisé la substitution par des chaînes alkyles (ajout de chaînes carbonées plus longues) dans les molécules organiques utilisées comme accepteurs afin d’augmenter la stabilité et de réduire les occurrences de singlet quenching.

Source: Nature

Mesure des performances des cristaux

Les chercheurs ont utilisé une molécule appelée DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) avec un rendement quantique presque parfait de 96 % sous forme liquide (solution). Mais ce rendement chute fortement lorsqu’il est sous forme cristalline.

Lorsqu’on ajoute les chaînes carbonées supplémentaires à la molécule, la forme cristalline du DHI peut atteindre des rendements quantiques aussi élevés que 64 %–69 %. Ces résultats élevés indiquent que les molécules donneuses sont uniformément dispersées au sein du cristal accepteur, permettant une sensibilisation efficace des triplets.

Source: Nature

Le matériau pourrait également être produit avec des techniques simples de formation de films, telles que le coulage à température ambiante et le spin-coating, sans nécessiter de traitement thermique spécial, ce qui le rend plus susceptible d’être pertinent pour toute future application industrielle à grande échelle.

Le processus est également tolérant à l’oxygène et même le nécessite, ce qui signifie qu’il n’a pas besoin de se dérouler dans un environnement scellé et sans oxygène, un autre élément important à atteindre pour les applications commerciales.

« TTA-UC s’active lorsque l’oxygène du système est consommé par conversion en oxygène singulet. Le film iBu-DHI/Ir(ppy)3 a montré une conversion ascendante dans l’air même sous une irradiation intense (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) pendant plus d’une heure. »

Source: Nature

Les performances des cristaux dépendent généralement de la structure microscopique au niveau atomique. Ainsi, les chercheurs ont d’abord effectué des calculs théoriques pour déterminer la structure probable de ces cristaux.

Ils ont ensuite testé le cristal avec la cristallographie aux rayons X et ont constaté que les motifs de diffraction des cristaux uniques et ceux des films spin-coatés étaient similaires, démontrant pourquoi cette méthode fonctionnait.

Source: Nature