Une cellule photoélectrochimique imitant l'oeil des mites

Dans le monde entier, les scientifiques travaillent sur des cellules solaires qui imitent la photosynthèse des plantes et qui produisent des carburants synthétiques tels que l’hydrogène à partir du rayonnement solaire et d’eau.

Des chercheurs de l’Empa ont développé une cellule photoélectrochimique qui imite l’œil des mites et qui accroît ainsi considérablement son taux de transformation du rayonnement solaire. Cette cellule est composée d’oxyde de fer et d’oxyde de tungstène, soit de matières premières très peu coûteuses.

L’oxyde de fer, autrement dit la rouille, pourrait révolutionner la technique solaire: ce composé (le plus souvent indésirable) permet de confectionner des photoélectrodes qui scindent l’eau pour produire de l’hydrogène. Ainsi le rayonnement solaire n’est pas tout d’abord transformé en électricité mais directement en un carburant de valeur.: L’oxyde de fer est extrêmement peu coûteux et il absorbe la lumière précisément dans le domaine de longueur d’onde dans lequel le soleil émet le plus de lumière. Il est cependant très mauvais conducteur d’électricité et il doit donc s’utiliser sous forme de films ultraminces pour que la scission de l’eau fonctionne. Le désavantage: ces films minces absorbent trop peu le rayonnement solaire.

Des microsphères pour capter le rayonnement solaire

Les chercheurs de l’Empa Florent Boudoire et Artur Braun sont maintenant parvenus à résoudre ce problème en développant une microstructure spéciale qui «capture» la lumière et ne la laisse plus s’échapper. Cette structure innovatrice repose sur de minuscules particules d’oxyde de tungstène qui, du fait de leur couleur jaune profond, peuvent aussi s’utiliser pour des photoélectrodes. Ces sphérules jaunes sont déposées sur une électrode pour être ensuite recouvertes d’une couche ultramince (de l’ordre du nanomètre) d’oxyde de fer. Lorsque la lumière se propage dans ces particules, elle est réfléchie plusieurs fois pour être finalement entièrement absorbée et la totalité de son énergie est disponible pour la scission de l’eau. Cette cellule photoélectrochimique produit ainsi écologiquement de l’hydrogène à partir de l’eau.

Cette microstructure fonctionne à la manière d’un œil de mite, comme l’explique Florent Boudoire: les yeux de ce papillon nocturne doivent collecter le plus de lumière possible – et en réfléchir le moins possible car sinon le papillon est découvert par ses ennemis naturels qui le dévorent. La microstructure de cet œil est tout spécialement adaptée à la longueur d’onde de la lumière. La cellule photosensible de l’Empa utilise le même effet.

Pour produire des yeux de mite artificiels à partir de sphérule d’oxyde de métaux, Florent Boudoire a pulvérisé sur une plaque de verre une suspension de particules de polymères qui renfermaient à leur intérieur une gouttelette d’une solution d’un sel de tungstène. Ces particules recouvrent la surface de verre à la manière d’une couche de billes serrées les unes contre les autres. Ensuite le tout est placé dans un four, le polymère brûle et les gouttelettes de solution de sel se transforment en sphérules d’oxyde de tungstène. Dans une étape de pulvérisation suivante, ces sphérules sont recouvertes d’un sel de fer puis à nouveau passée au four.

« La capture de la lumière » simulée sur ordinateur

On pourrait penser que ces opérations de mélange, de pulvérisation et de cuisson tiennent de l’alchimie – et que leur résultat est dû au hasard. Toutefois parallèlement à leur expérimentation, les chercheurs ont procédé à une modélisation sur ordinateur et simulé ainsi la «capture de la lumière» dans les sphérules d’oxydes métalliques.

Le résultat de ces simulations concordait avec les essais, comme le confirme le chef du projet Artur Braun. Il est ainsi possible de distinguer clairement les contributions de l’oxyde de tungstène et de l’oxyde de fer à la formation du courant photoélectrique. Et plus les sphérules sont petites, plus grande est la quantité de lumière qui parvient sur l’oxyde de fer qui les recouvre. Dans une prochaine étape, les chercheurs désirent étudier quels sont les effets que produisent plusieurs couches superposées de ces sphérules.