Quel est le fonctionnement des cellules photoélectrochimiques et leur potentiel pour les réactions solaires ?

Dans sa définition la plus répandue, une cellule photoélectrochimique (PEC) est constituée d’une ou deux photoélectrodes, c’est-à-dire des semi-conducteurs, en contact direct avec une solution électrolytique afin d’induire des réactions chimiques sous l’effet de la lumière. Toutefois, il existe une configuration alternative, dite à jonction enfouie, dans laquelle le semi-conducteur n’est pas en contact direct avec l’électrolyte. Ce type de dispositif, bien qu’ayant une interface différente, entre néanmoins dans la catégorie des systèmes PEC.

Pour des applications telles que la photolyse de l’eau ou d’autres réactions chimiques, un système PEC peut également prendre la forme d’un couplage entre un panneau photovoltaïque et un électrolyseur, appelé cellule PV-PEC. Dans ce cas, le panneau photovoltaïque fournit l’énergie nécessaire pour alimenter l’électrolyseur, et ainsi provoquer les réactions redox associées. Ces deux configurations, standard et PV-PEC, appartiennent à la même famille des dispositifs PEC, bien qu’elles se distinguent par leur architecture et leur mode d’interaction avec la lumière solaire.

La réduction du CO₂ via des dispositifs PEC présente un double avantage : éliminer un polluant atmosphérique et produire des composés à haute valeur ajoutée, tels que le méthane, l’éthane, le méthanol, l’éthanol ou encore le formiate. Toutefois, la conversion du CO₂ reste un défi considérable, en raison de la grande stabilité de la molécule, notamment la liaison C=O, qui nécessite un apport énergétique significatif pour être rompue. Les systèmes PEC, par leur capacité à fonctionner sous irradiation solaire, leur simplicité de mise en œuvre et la possibilité de contrôle précis des paramètres réactionnels, apparaissent comme une alternative prometteuse à cette problématique énergétique et environnementale.

En ce qui concerne la synthèse de l’ammoniac, traditionnellement réalisée par le procédé Haber–Bosch, celui-ci requiert des conditions extrêmes de température et de pression, avec un impact environnemental majeur. Les systèmes PEC permettent, au contraire, de produire du NH₃ à partir de N₂, H₂O, électricité et lumière solaire dans des conditions ambiantes, sans recours à des catalyseurs coûteux ni à une infrastructure industrielle lourde, ouvrant la voie à une production d’engrais durable et décentralisée.

Les dispositifs PEC peuvent être configurés de diverses manières selon le type de semi-conducteur utilisé et sa polarité. Un système peut comporter une p

Comment le pentacène et les hétérojonctions organiques transforment-ils les dispositifs photovoltaïques et optoélectroniques modernes ?

Dans les couches actives hétérojonctions bulk (BHJ) à base de fullerènes, un déséquilibre du transport des charges, dû à une mobilité électronique supérieure à celle des trous, limite souvent les performances. La stratégie de dopage léger du pentacène à 0,2 % dans la couche active inversée permet de rétablir cet équilibre, conduisant à une amélioration de 38 % de la PCE. Par ailleurs, le remplacement du fullerène par du diimide de péréline, grâce au contrôle de la géométrie moléculaire et de la morphologie à l’échelle nanométrique, a permis d’obtenir des cellules BHJ très performantes. L’utilisation de rubrène intercalé au potassium comme agent de passivation dual-fonctionnel dans des cellules photovoltaïques à pérovskite permet de réduire l’hystérésis et d’atteindre des PCE supérieures à 19 %, surpassant les performances des dispositifs utilisant du rubrène non modifié.

Un autre développement significatif concerne les transistors à effet de champ photovoltaïques (FET) hybrides combinant des semiconducteurs 2D et organiques via des hétérostructures de van der Waals. Les dispositifs réalisés avec du MoS2 de type n et du rubrène de type p fonctionnent sous irradiation lumineuse sans polarisation externe, ouvrant la voie à des architectures à hautes performances ambipolaires. Des alternatives avec le pentacène comme matériau p-type démontrent également des performances remarquables.

Les photodiodes basées sur des hétérojonctions organiques, telles que celles combinant MoS2 monocouche et pentacène, présentent une responsivité photoélectrique élevée, un rapport photo-courant sombre exceptionnel, et une détectivité spécifique record, faisant d’elles des candidates de choix pour des applications de détection proche infrarouge, notamment pour des implants rétiniens artificiels. L’introduction d’électrodes en graphène contrôlant la barrière de Schottky dans des jonctions verticales organiques offre un contrôle amélioré sur la rectification et la sensibilité des photodiodes.

Enfin, la fabrication d’électrodes imprimées pour transistors organiques ouvre des perspectives innovantes dans les domaines des capteurs portables et jetables, avec un potentiel d’intégration dans des dispositifs électroniques flexibles et économiques.

L’intégration des matériaux organiques dans des architectures hybrides permet non seulement de combiner la conductivité élevée des semiconducteurs inorganiques avec les interactions lumière-matière exceptionnelles des composants organiques, mais aussi d’exploiter les propriétés uniques de ces matériaux pour repousser les limites des dispositifs optoélectroniques. La compréhension approfondie des phénomènes de transport de charge, de génération d’excitons et de dynamique des interfaces est cruciale pour optimiser ces systèmes complexes. De plus, la stabilité à long terme et la reproductibilité des performances demeurent des défis essentiels à relever pour leur adoption industrielle. La synergie entre la chimie moléculaire fine, le contrôle nanométrique de la morphologie et les avancées en ingénierie des interfaces constitue la clé pour la prochaine génération de dispositifs à haute performance, durables et multifonctionnels.