Artificial photosynthesis, highly efficient sensitization of wide band gap semiconductors

Institut de Chimie Physique, Ecole Polytechnique Fédérale, 1015 Lausanne, Switzerland.

Abstract

The sensitization of semiconductors is a fascinating domain of present research which has found important applications in different areas such as artificial photosynthesis. This lecture discusses first the kinetics of interfacial electron transfer reactions associated with the sensitization process. The advent of colloidal semiconductors combined with ultrafast laser techniques has permitted the unravelling of the dynamics of the charge transfer reactions. In the case of 100 Å sized TiO₂ particles the electron injection from the excited sensitizer in the conduction band was found to be several orders of magnitude faster than the back reaction. This effect has been exploited by us in the conversion of light into electricity or chemical fuels. Using rough polycrystalline TiO₂ layers we have achieved incident photon to current conversion yields of more than 60% in the visible Such high values are unprecedented and constitute a breakthrough in the sensitization of large band gap semiconductor devices.

Résumé

La sensibilisation spectrale de semi-conducteur à large bande interdite constitue un domaine fascinant de la recherche contemporaine. Ce phénomène a trouvé d’importantes applications dans la photosynthèse artificielle. Mon exposé concerne la cinétique de transfert de charge à l’interphase du semi-conducteur. L’utilisation de semi-conducteur de taille colloidale a permis l’étude directe de ces processus à l’aide de la photolyse à éclair laser. Nous trouvons dans le cas des particules colloidales de TiO₂ (taille 100 Å) que l’injection de charge dans la bande de conduction s’effectue souvent à une vitesse beaucoup plus élevée que celle de la réaction inverse. Cet effet de séparation de charge induite par la lumière est appliqué dans la conversion de la lumière visible en courant électrique en utilisant des couches rugueuses de TiO₂ polycrystallins. Des rendements de conversion dépassant 60 % ont été obtenus. De telles valeurs peuvent être considérées comme exceptionnellement élevées constituant une véritable percée dans le domaine de la sensibilisation de semi-conducteurs à large bande interdite.