Dans la quête de l'abondance, alternatives renouvelables aux énergies fossiles, les scientifiques ont cherché à récolter l'énergie du soleil par « la division de l'eau, " une technique de photosynthèse artificielle qui utilise la lumière du soleil pour générer de l'hydrogène à partir de l'eau. Mais les dispositifs de séparation de l'eau n'ont pas encore atteint leur potentiel car il n'y a toujours pas de conception de matériaux avec le bon mélange d'optique, électronique, et les propriétés chimiques nécessaires pour qu'ils fonctionnent efficacement.

Aujourd'hui chercheurs au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et au Joint Center for Artificial Photosynthèse (JCAP), un pôle d'innovation énergétique du DOE, ont mis au point une nouvelle recette de carburants renouvelables qui pourrait contourner les limitations des matériaux actuels :un dispositif de photosynthèse artificielle appelé « cellule hybride photoélectrochimique et voltaïque (HPEV) » qui transforme la lumière du soleil et l'eau en une seule mais deux types d'énergie :l'hydrogène et l'électricité. L'article décrivant ce travail a été publié le 29 octobre dans Matériaux naturels .

Trouver une issue aux électrons

La plupart des dispositifs de séparation d'eau sont constitués d'un empilement de matériaux absorbant 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 infrarouge aux longueurs d'onde plus énergétiques de la lumière visible ou ultraviolette.

Lorsque chaque couche absorbe la lumière, elle crée une tension électrique. Ces tensions individuelles se combinent en une tension suffisamment grande pour diviser l'eau en carburant oxygène et hydrogène. Mais selon Gideon Segev, chercheur postdoctoral au JCAP de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab et auteur principal de l'étude, le problème avec cette configuration est que même si les cellules solaires au silicium peuvent générer de l'électricité très proche de leur limite, leur potentiel de haute performance est compromis lorsqu'ils font partie d'un dispositif de séparation d'eau.

Le courant traversant l'appareil est limité par d'autres matériaux de la pile qui ne fonctionnent pas aussi bien que le silicium, et comme résultat, le système produit beaucoup moins de courant qu'il ne le pourrait - et moins il génère de courant, le moins de carburant solaire qu'il peut produire.

"C'est comme toujours conduire une voiture en première vitesse, " dit Segev. " C'est de l'énergie que vous pourriez récolter, 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, ils perdent donc leur énergie avant d'être utilisés pour faire un travail utile. »

Sortir de la première vitesse

Ainsi Segev et ses co-auteurs—Jeffrey W. Beeman, un chercheur JCAP dans la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, et les anciens chercheurs du Berkeley Lab et du JCAP Jeffery Greenblatt, qui dirige maintenant le cabinet de conseil en technologie Emerging Futures LLC, basé à Bay Area, et Ian Sharp, maintenant professeur de physique expérimentale des semi-conducteurs à l'Université technique de Munich en Allemagne, a proposé une solution étonnamment simple à un problème complexe.

"Nous pensions, « Et si nous laissions simplement sortir les électrons ? » a déclaré Segev.

Dans les dispositifs de séparation d'eau, la face avant est généralement dédiée à la production de combustibles solaires, et la surface arrière sert de prise électrique. Pour contourner les limitations du système conventionnel, ils ont ajouté un contact électrique supplémentaire à la surface arrière du composant en silicium, résultant en un appareil 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, et le reste peut être extrait sous forme d'énergie électrique.

Quand ce que vous voyez est ce que vous obtenez

Après avoir exécuté une simulation pour prédire si le HPEC fonctionnerait comme prévu, ils ont fait un prototype pour tester leur théorie. "Et à notre grande surprise, ça a marché !", a déclaré Segev. "En science, vous n'êtes jamais vraiment sûr que tout va fonctionner même si vos simulations informatiques le disent. Mais c'est aussi ce qui le rend amusant. C'était formidable de voir nos expériences valider les prédictions de nos simulations."

D'après 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 un rendement solaire à hydrogène de 6,8 %. En d'autres termes, de toute l'énergie solaire incidente frappant la surface d'une cellule, 6,8% seront stockés sous forme d'hydrogène carburant, et tout le reste est perdu.

En revanche, les cellules HPEV récoltent les électrons restants qui ne contribuent pas à la génération de carburant. Ces électrons résiduels sont plutôt utilisés pour générer de l'énergie électrique, résultant en une augmentation spectaculaire de l'efficacité globale de conversion de l'énergie solaire, dit Segev. Par exemple, selon les mêmes calculs, les mêmes 6,8 % de l'énergie solaire peuvent être stockés sous forme de carburant hydrogène dans une cellule HPEV composée de vanadate de bismuth et de silicium, et 13,4 pour cent supplémentaires de l'énergie solaire peuvent être convertis en électricité. Cela permet une efficacité combinée de 20,2 pour cent, trois fois mieux que les cellules solaires à hydrogène conventionnelles.

Les chercheurs prévoient de poursuivre leur collaboration afin de pouvoir envisager d'utiliser le concept HPEV pour d'autres applications telles que la réduction des émissions de dioxyde de carbone. "C'était vraiment un effort de groupe où des gens avec beaucoup d'expérience ont pu contribuer, " a ajouté Segev. " Après un an et demi de travail ensemble sur un processus assez fastidieux, c'était formidable de voir nos expériences enfin aboutir."