L'hydrogène jouera un rôle central en tant que moyen de stockage dans les systèmes énergétiques durables. Une équipe internationale de chercheurs a maintenant réussi à augmenter l'efficacité de la production d'hydrogène à partir de la séparation solaire directe de l'eau à un record de 19 %. Ils l'ont fait en combinant une cellule solaire en tandem de semi-conducteurs III-V avec un catalyseur de nanoparticules de rhodium et un revêtement de dioxyde de titane cristallin. Les équipes du California Institute of Technology, l'Université de Cambridge, Technische Universität Ilmenau, et l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE ont participé aux travaux de développement. Une partie des expériences a eu lieu à l'Institut des combustibles solaires du Helmholtz-Zentrum de Berlin.

Le photovoltaïque est un pilier des systèmes d'approvisionnement en énergie renouvelable, et la lumière du soleil est disponible en abondance dans le monde entier – mais pas 24 heures sur 24. Une solution pour faire face à cette production d'électricité fluctuante est de stocker la lumière du soleil sous forme d'énergie chimique, spécifiquement en utilisant la lumière du soleil pour produire de l'hydrogène. En effet, l'hydrogène peut être stocké facilement et en toute sécurité, et utilisé de nombreuses manières - que ce soit dans une pile à combustible pour générer directement de l'électricité et de la chaleur, ou comme matière première pour la fabrication de combustibles. Si vous combinez des cellules solaires avec des catalyseurs et des couches fonctionnelles supplémentaires pour former une "photoélectrode monolithique" en un seul bloc, alors le fractionnement de l'eau devient particulièrement simple :la photocathode est plongée dans un milieu aqueux et lorsque la lumière tombe dessus, de l'hydrogène se forme à l'avant et de l'oxygène à l'arrière.

Couche transparente anti-corrosion

Pour la photocathode monolithique étudiée ici, les équipes de recherche ont combiné des couches fonctionnelles supplémentaires avec une cellule tandem hautement efficace composée de semi-conducteurs III-V développée à Fraunhofer ISE. Cela leur a permis de réduire la réflectivité de surface de la cellule, évitant ainsi les pertes considérables causées par l'absorption et la réflexion parasites de la lumière. "C'est aussi là que réside l'innovation", explique le professeur Hans-Joachim Lewerenz, Caltech, États-Unis :« Parce que nous avions déjà atteint une efficacité de plus de 14 % pour une cellule précédente en 2015, qui était un record du monde à l'époque. Ici, nous avons remplacé la couche supérieure anti-corrosion par une couche de dioxyde de titane cristallin qui a non seulement d'excellentes propriétés anti-reflet, mais auquel les particules de catalyseur adhèrent également. » Et le professeur Harry Atwater, Caltech, ajoute :« De plus, nous avons également utilisé un nouveau procédé électrochimique pour produire les nanoparticules de rhodium qui servent à catalyser la réaction de séparation de l'eau. Ces particules n'ont que dix nanomètres de diamètre et sont donc optiquement presque transparentes, ce qui les rend parfaitement adaptés au travail."

Sous rayonnement solaire simulé, les scientifiques ont atteint une efficacité de 19,3 pour cent dans l'acide perchlorique aqueux dilué, tout en atteignant 18,5% dans un électrolyte à pH neutre. Ces chiffres approchent le rendement maximum théorique de 23 % qui peut être atteint avec les propriétés électroniques inhérentes à cette combinaison de couches.

"La couche cristalline de dioxyde de titane protège non seulement la cellule solaire réelle de la corrosion, mais améliore également le transport de charge grâce à ses propriétés électroniques avantageuses", dit le Dr Matthias May, qui a réalisé une partie des expériences de détermination de l'efficacité à l'Institut HZB pour les combustibles solaires dans le laboratoire précurseur de l'installation d'essais de combustible solaire de la fonderie de matériaux énergétiques Helmholtz (HEMF). Le chiffre record maintenant publié est basé sur des travaux que May avait déjà commencés en tant que doctorant à la HZB et pour lesquels il a reçu le prix doctoral de l'Association Helmholtz pour le domaine de la recherche énergétique en 2016. « Nous avons pu augmenter la durée de vie à près de 100 heures. C'est une avancée majeure par rapport aux systèmes précédents qui étaient déjà corrodés au bout de 40 heures. il y a encore beaucoup à faire", Mai explique.

C'est parce qu'il s'agit encore de recherche fondamentale sur de petites, systèmes coûteux en laboratoire. Cependant, les chercheurs sont optimistes :« Ce travail montre que les cellules tandem sur mesure pour la séparation solaire directe de l'eau ont le potentiel d'atteindre des rendements supérieurs à 20 %. Une approche pour cela consiste à choisir des énergies de bande interdite encore meilleures pour les deux matériaux absorbants dans la cellule tandem. Et l'un des deux pourrait même être du silicium", explique le professeur Thomas Hannappel, TU Ilmenau. Les équipes de Fraunhofer ISE et TU Ilmenau travaillent à la conception de cellules qui combinent des semi-conducteurs III-V avec du silicium moins cher, ce qui pourrait réduire considérablement les coûts."