Dans la quête d’énergies alternatives aux combustibles fossiles, les scientifiques cherchent à exploiter l’énergie solaire par « séparation de l’eau », une technique de photosynthèse artificielle qui utilise la lumière solaire pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau.
Mais les séparateurs d’eau n’ont pas encore atteint leur plein potentiel parce qu’il n’existe toujours pas de conception pour les matériaux ayant le bon mélange de propriétés optiques, électroniques et chimiques nécessaires à un fonctionnement efficace de ces appareils.
Des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l’Énergie des États-Unis (Berkeley Lab) et du Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), un centre d’innovation énergétique du DOE, ont mis au point une nouveau procédé de carburants renouvelables qui pourrait contourner les limites des matériaux actuels : un dispositif de photosynthèse artificielle appelé « cellule photoélectrochimique et voltaïque hybride » HPEV qui transforme la lumière solaire et l’eau non seulement en une, mais en deux énergies – vecteur hydrogène et électricité. L’étude décrivant ces travaux a été publiée le 29 octobre dans Nature Materials.
Trouver une issue pour les électrons
La plupart des séparateurs d’eau sont constitués d’un empilement de matériaux capables d’absorber la lumière. Selon sa composition, chaque couche absorbe différentes parties ou « longueurs d’onde » du spectre solaire, allant des longueurs d’onde moins énergétiques de la lumière comme les infrarouges aux plus énergétiques de la lumière visible comme les ultraviolets.
Lorsque chaque couche absorbe la lumière, elle crée une tension électrique. Ces tensions individuelles se combinent en une seule tension assez grande pour diviser l’eau en oxygène et en hydrogène. Mais selon Gideon Segev, chercheur au JCAP de la Division des sciences chimiques du Laboratoire de Berkeley et auteur principal de l’étude, le problème de cette configuration est que même si les cellules solaires en silicium peuvent produire de l’électricité, leur haute performance potentielle est compromise quand elles font partie d’un dispositif de séparateur d’eau.
Le courant traversant l’appareil est limité par d’autres matériaux de l’empilement qui ne fonctionnent pas aussi bien que le silicium et, par conséquent, le système produit beaucoup moins de courant qu’il ne le pourrait. Et moins il génère de courant, et moins il peut produire du combustible solaire.
« C’est comme si on roulait toujours en première, » a commenté G. Segev. « C’est de l’énergie que vous pourriez récupérer, mais parce que le silicium n’agit pas à son point de puissance maximum, la plupart des électrons excités dans le silicium n’ont nulle part où aller, donc ils perdent leur énergie avant d’être utilisés pour faire un travail utile. »
« Et si on laissait sortir les électrons ? »
Dans les dispositifs de séparateur d’eau, la surface avant est généralement dédiée à la production de combustibles solaires et la surface arrière sert de prise électrique. Pour contourner les limites du système conventionnel, ils ont ajouté un contact électrique supplémentaire à la surface arrière du composant en silicium, ce qui a donné un dispositif HPEV avec deux contacts à l’arrière au lieu d’un seul. La sortie arrière supplémentaire permettrait de diviser le courant en deux, de sorte qu’une partie du courant contribue à la production de combustibles solaires, le reste pouvant être extrait sous forme d’énergie électrique.
Ce que vous voyez est ce que vous obtenez
Après avoir réalisé une simulation pour prédire si l’HPEV fonctionnerait comme prévu, ils ont concu un prototype pour tester leur théorie. « Et à notre grande surprise, cela a marché ! » a ajouté G. Segev. « En science, on n’est jamais vraiment sûr que tout va fonctionner, même si les simulations informatiques l’indiquent. Mais c’est aussi ce qui la rend amusante. C’était génial de voir nos expériences valider les prédictions de nos simulations. »
Selon leurs calculs, un générateur d’hydrogène solaire conventionnel basé sur une combinaison de silicium et de vanadate de bismuth, un matériau largement étudié pour la séparation solaire de l’eau, produirait de l’hydrogène avec une efficacité solaire à hydrogène de 6,8 %. En d’autres termes, sur l’ensemble de l’énergie solaire incidente qui frappe la surface d’une cellule, 6,8 % seront stockés sous forme d’hydrogène, et tout le reste sera perdu.
En revanche, les cellules HPEV récupérent les électrons restants qui ne contribuent pas à la production de combustible. Ces électrons résiduels sont plutôt utilisés pour produire de l’électricité, ce qui entraîne une augmentation spectaculaire de l’efficacité globale de la conversion de l’énergie solaire, a conclu G. Segev. Par exemple, selon les mêmes calculs, les mêmes 6,8 % de l’énergie solaire peuvent être stockés sous forme d’hydrogène dans une cellule HPEV en vanadate de bismuth et silicium, et 13,4 % de l’énergie solaire peuvent être convertis en électricité. Cela permet d’obtenir un rendement combiné de 20,2 %, soit un taux 3 fois supérieur à celui des cellules solaires à hydrogène classiques.
Le Joint Center for Artificial Photosynthesis est un centre d'innovation énergétique du DOE. Ces travaux sont soutenus par le Bureau des sciences du DOE.
