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À la recherche de solutions de remplacement abondantes et renouvelables aux combustibles fossiles, les scientifiques ont cherché à capter l’énergie du soleil par le «fractionnement de l’eau»; une technique de photosynthèse artificielle qui utilise la lumière du soleil pour générer de l’hydrogène à partir de l’eau. Toutefois, ces dispositifs de séparation de l’eau n’ont pas encore atteint leur plein potentiel, car il n’existe toujours pas de matériaux offrant le bon mélange de propriétés optiques, électroniques et chimiques nécessaires à leur efficacité.

Une cellule solaire hybride

Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Laboratoire national) du département de l’Énergie des États-Unis et du Centre commun de photosynthèse artificielle (JCAP); une plaque tournante de l’innovation énergétique du DOE, ont mis au point une nouvelle recette pour les carburants renouvelables qui pourrait contourner les limitations actuelles des matériaux: un dispositif de photosynthèse artificielle appelé «cellule hybride photoélectrochimique et voltaïque (HPEV)» qui transforme la lumière du soleil et l’eau non pas uniquement en un type d’énergie, mais en deux types d’énergie – l’hydrogène et l’électricité. Le document décrivant ce travail a été publié le 29 octobre dans Nature Materials.

fonctionnement-cellule- solaireLa sortie supplémentaire de la cellule HPEV permettrait de diviser le courant en deux, de sorte qu’une partie du courant contribuerait à la production de combustibles solaires et le reste pourrait être extraite sous forme de courant électrique. (Crédit: Berkeley Lab, JCAP)

Trouver un moyen de sortir des électrons

La plupart des séparateurs 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 génère une tension électrique. Ces tensions individuelles se combinent en une tension suffisamment puissante pour diviser l’eau en oxygène et en hydrogène. Selon Gideon Segev, chercheur post-doctoral au département JCAP de la division des sciences chimiques du JCAP à Berkeley Lab, le problème de cette configuration est que, même si les cellules solaires au silicium peuvent produire de l’électricité, leur potentiel de haute performance est compromises quand elles font partie d’un dispositif séparateur d’eau.

Le courant traversant ce dispositif est limité par d’autres matériaux de la pile qui ne fonctionnent pas aussi bien que le silicium. Le système produit donc beaucoup moins de courant qu’il ne le pourrait. Moins il génère de courant, moins il produit de combustible solaire.

«C’est comme si on conduisait toujours une voiture en première vitesse», a déclaré Segev. « C’est de l’énergie que vous pourriez récolter, mais comme le silicium n’agit pas à sa pleine puissance, la plupart des électrons dans le silicium n’ont nulle part où aller, ils perdent donc leur énergie avant de pouvoir être utilisés pour faire un travail utile dans un système. »

Sortir de la première vitesse

L’auteur principal, Gideon Segev, et le coauteur, Jeffrey W. Beeman, sont tous deux chercheurs au JCAP dans la division des sciences chimiques de Berkeley Lab. (Crédit, gauche-droite: Marilyn Chung / Berkeley Lab, Jeffrey W. Beeman / Berkeley Lab).

So Segev et ses co-auteurs – Jeffrey W. Beeman, chercheur JCAP à la division des sciences chimiques de Berkeley Lab, et anciens chercheurs de Berkeley Lab et JCAP, Jeffery Greenblatt, qui dirige maintenant le cabinet de conseil en technologie Emerging Futures LLC, basé dans la région de la Baie, et Ian Sharp , désormais 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 avons pensé: » et si on laissait simplement sortir les électrons? « , Dit Segev. Dans les dispositifs de fractionnement d’eau, la surface avant est généralement dédiée à la production de combustibles solaires et la surface arrière sert de prise de courant. Pour contourner les limites de ce système conventionnel, ils ont ajouté un contact électrique supplémentaire à la surface arrière du composant en silicium.

Ce qui a permis de créer 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 et que le reste puisse 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 fabriqué un prototype pour tester leur théorie. «À notre grande surprise, cela a fonctionné!» A déclaré Segev. «En sciences, vous ne savez jamais vraiment si tout va fonctionner, même si les simulations sur ordinateur le prévoient. Mais c’est aussi ce qui le rend amusant. C’était génial de voir nos expériences valider les prédictions de nos simulations. »

Selon leurs calculs, un générateur d’hydrogène solaire traditionnel utilisant une combinaison de silicium et de bismuth vanadate, un matériau largement étudié pour la dissociation de l’eau par le soleil, produirait de l’hydrogène avec un rendement solaire à hydrogène de 6,8%. En d’autres termes, sur l’ensemble de l’énergie solaire incidente atteignant la surface d’une cellule, 6,8% sera stockée sous forme d’hydrogène et le reste sera perdu.

Une augmentation spectaculaire du rendement

En revanche, les cellules HPEV recueillent les électrons restants qui ne contribuent pas à la génération de combustibles solaires. Ces électrons résiduels sont plutôt utilisés pour générer de l’énergie électrique, entraînant une augmentation spectaculaire du rendement global de la conversion de l’énergie solaire, a déclaré 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 constituée de bismuth vanadate et de silicium, et 13,4% de l’énergie solaire peuvent être convertis en électricité. Cela permet une efficacité combinée de 20,2%, ce qui est trois fois supérieur aux cellules à hydrogène solaire conventionnelles.

Pour d’autres applications

Les chercheurs envisagent de poursuivre leur collaboration afin 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 personnes ayant beaucoup d’expérience ont pu contribuer», a ajouté Segev. «Après un an et demi de travail en commun sur un processus fastidieux, nous avons été ravis de voir enfin nos expériences se concrétiser. »

Crédit photo : American Public Power Association
Source : Berkeley Lab