Un nanodispositif produit de l’électricité continue grâce à l’évaporation

En 2024, des chercheurs du Laboratoire de nanosciences pour les technologies de l’énergie (LNET) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL ont présenté une plateforme pour étudier l’effet hydrovoltaïque (HV) – un phénomène qui permet de récolter de l’électricité lorsqu’un fluide passe sur la surface chargée d’un nanodispositif. Leur plateforme était constituée d’un réseau hexagonal de nanopiliers de silicium, dont l’espacement créait des canaux pour l’évaporation d’échantillons de fluide.

Aujourd’hui, l’équipe du LNET, dirigée par Giulia Tagliabue, a transformé cette plateforme en un système hydrovoltaïque dont la puissance de sortie égale ou dépasse celle des technologies similaires – avec un avantage majeur. Au lieu de s’appuyer sur la chaleur et la lumière pour simplement augmenter l’évaporation, le système de l’EPFL génère du courant en exploitant la chaleur et la lumière pour contrôler le mouvement des ions dans l’eau salée en évaporation, et le flux d’électrons dans le nanodispositif en silicium.

« Les déséquilibres de chaleur et de lumière affecteront toujours un dispositif hydrovoltaïque, mais nous avons découvert comment les exploiter à notre avantage », explique Tarique Anwar, chercheur au LNET.

Avec trois couches distinctes dédiées à l’évaporation, au transport ionique et à la collecte de charge électrique, la conception découplée du nanodispositif permet aux scientifiques d’observer et de régler finement chaque étape du processus.

Exploiter un effet naturel

Généralement, lorsque nous pensons aux effets de la chaleur et de la lumière sur l’évaporation, nous comprenons que l’énergie thermique accélère la transformation de l’eau en vapeur. Des études antérieures se sont concentrées sur cet effet pour la récolte d’énergie HV, mais les chercheurs de l’EPFL ont réalisé que la production d’énergie accélérée qu’ils observaient n’était pas due à l’évaporation seule.

Parce que leur nanodispositif est fabriqué à partir d’un semi-conducteur en silicium, les électrons à l’intérieur sont excités par les photons de la lumière du soleil, tandis que la chaleur augmente les charges négatives sur sa surface. Dans le même temps, l’évaporation induite par la chaleur dans une couche d’eau salée au-dessus du nanodispositif provoque un déplacement des ions, créant des séparations entre les charges positives et négatives. Cette séparation de charge à l’interface liquide-solide crée un champ électrique qui entraîne les électrons excités à travers un circuit connecté, produisant de l’électricité.

« Notre travail montre qu’en raison de cet effet de charge de surface, l’ajout de lumière solaire et de chaleur peut augmenter la production d’énergie d’un facteur 5. Cet effet naturel a toujours existé, mais nous sommes les premiers à l’exploiter », déclare Tagliabue.

Une puissance continue et autonome

Les chercheurs soulignent qu’en plus d’une excellente tension et densité de puissance (1 V et 0,25 W/m², respectivement), leur système offre un avantage pour une génération d’électricité continue et autonome. « Dans les dispositifs HV, l’amélioration des performances via l’apport de chaleur et de lumière entraîne une dégradation des matériaux au fil du temps, surtout dans des conditions d’eau salée. En revanche, les nanopiliers de notre dispositif sont recouverts d’une couche d’oxyde pour assurer des performances stables sous la chaleur et la lumière, et pour protéger contre les réactions chimiques indésirables », explique Tagliabue.

La séparation du dispositif en trois couches a également permis à l’équipe de développer un modèle pour expliquer leurs observations et optimiser la puissance de sortie en ajustant la structure des nanopiliers et la concentration en sel. L’équipe développe maintenant des outils pour sonder ces phénomènes en temps réel tout en expérimentant l’apport de chaleur et de lumière via un simulateur solaire.

Les chercheurs estiment que leur innovation accélérera le développement des dispositifs hydrovoltaïques, qui ont un grand potentiel pour alimenter de petits réseaux de capteurs sans batterie partout où l’eau, la chaleur et la lumière solaire sont disponibles. Parmi les exemples, citons les systèmes autonomes de surveillance environnementale, les dispositifs portables et les applications de l’internet des objets.

Article : Enhancing hydrovoltaic power generation through coupled heat and light-driven surface charge dynamics – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : EPFL