Cette image montre comment fonctionne la « pile solaire à œil de papillon » :à l'aide de la lumière du soleil, les molécules d'eau sont divisées en oxygène et en hydrogène. Crédit :Empa
Partout dans le monde, des chercheurs étudient les cellules solaires qui imitent la photosynthèse des plantes, en utilisant la lumière du soleil et de l'eau pour créer des carburants synthétiques tels que l'hydrogène. Les chercheurs de l'Empa ont développé une telle cellule photoélectrochimique, recréer l'œil d'un papillon de nuit pour augmenter considérablement son efficacité de collecte de la lumière. La cellule est faite de matières premières bon marché :fer et oxyde de tungstène.
La rouille – l'oxyde de fer – pourrait révolutionner la technologie des cellules solaires. Cette substance généralement indésirable peut être utilisée pour fabriquer des photoélectrodes qui divisent l'eau et génèrent de l'hydrogène. La lumière du soleil est ainsi directement convertie en combustible précieux plutôt que d'être d'abord utilisée pour produire de l'électricité. Malheureusement, en tant que matière première, l'oxyde de fer a ses limites. Bien qu'il soit incroyablement bon marché et absorbe la lumière exactement dans la région de longueur d'onde où le soleil émet le plus d'énergie, il conduit très mal l'électricité et doit donc être utilisé sous la forme d'un film extrêmement mince pour que la technique du fractionnement de l'eau fonctionne. L'inconvénient est que ces couches minces absorbent trop peu la lumière du soleil qui éclaire la cellule.
Des microsphères pour capter la lumière du soleil
Les chercheurs de l'Empa Florent Boudoire et Artur Braun ont désormais réussi à résoudre ce problème. Une microstructure spéciale sur la surface de la photoélectrode recueille littéralement la lumière du soleil et ne la laisse plus sortir. La base de cette structure innovante est constituée de minuscules particules d'oxyde de tungstène qui, à cause de leur couleur jaune saturée, peut également être utilisé pour les photoélectrodes. Les microsphères jaunes sont appliquées sur une électrode puis recouvertes d'une couche nanométrique extrêmement fine d'oxyde de fer. Lorsque la lumière externe tombe sur la particule, elle est réfléchie intérieurement d'avant en arrière, jusqu'à ce que finalement toute la lumière soit absorbée. Toute l'énergie du faisceau est maintenant disponible pour séparer les molécules d'eau.
En principe, la microstructure nouvellement conçue fonctionne comme l'œil d'un papillon de nuit, explique Florent Boudoire. Les yeux de ces créatures actives la nuit doivent collecter autant de lumière que possible pour voir dans l'obscurité, et doivent également réfléchir le moins possible pour éviter d'être détectés et mangés par leurs ennemis. La microstructure de leurs yeux particulièrement adaptée à la longueur d'onde appropriée de la lumière. Les photocellules de l'Empa profitent du même effet.
Cette image montre comment la « cellule solaire à œil de papillon » est créée, et comment il capte la lumière. Crédit :Empa
Afin de recréer des yeux de papillon artificiels à partir de microsphères d'oxyde métallique, Florent Boudoire asperge une feuille de verre d'une suspension de particules de plastique, dont chacun contient en son centre une goutte de solution de sel de tungstène. Les particules reposent sur le verre comme une couche de billes serrées les unes contre les autres. La feuille est placée dans un four et chauffée, la matière plastique brûle et chaque goutte de solution saline est transformée en la microsphère d'oxyde de tungstène requise. L'étape suivante consiste à vaporiser la nouvelle structure avec une solution de sel de fer et à la chauffer à nouveau dans un four.
Florent Boudoire teste le fonctionnement de sa photoélectrode dans un simulateur solaire. Crédit :Empa
Capturer la lumière simulée sur l'ordinateur
Maintenant, on pourrait interpréter ces mélanges, les processus de pulvérisation et de combustion sont une pure alchimie - une série d'étapes qui réussissent finalement par pur hasard. Cependant, parallèlement à leurs expériences pratiques, les chercheurs ont effectué des calculs modélisant le processus sur leurs ordinateurs et ont ainsi pu simuler la "capture de la lumière" dans les minuscules sphères. Les résultats de la simulation sont en accord avec les observations expérimentales, comme le confirme le chef de projet Artur Braun. Il est clair de voir combien l'oxyde de tungstène contribue au photocourant et combien est dû à l'oxyde de fer. Aussi, plus les microsphères sont petites, plus il y a de lumière qui atterrit sur l'oxyde de fer sous les minuscules boules. Dans une prochaine étape, les chercheurs prévoient d'étudier quel pourrait être l'effet de plusieurs couches de microsphères superposées. Les travaux sur les cellules solaires à œil de papillon sont toujours en cours !
