Les cellules solaires productrices d'hydrogène imitent la photosynthèse

Deux équipes indépendantes se sont inspirées de la nature pour développer de meilleures façons de produire de l'hydrogène avec des cellules solaires. La première équipe, de l'Université du Michigan aux États-Unis, a atteint un rendement record de l'énergie solaire en hydrogène de plus de 9 % en utilisant un panneau solaire contenant un catalyseur de nitrure d'indium et de gallium (InGaN). La deuxième équipe, issue de l'EPFL en Suisse et de Toyota Motors Europe, a créé un nouveau type d'électrode de diffusion de gaz transparente et poreuse qui récupère l'eau de l'air et la transforme en hydrogène lorsqu'elle est exposée au soleil. Les deux technologies pourraient, en principe, fournir de l'hydrogène pour les piles à combustible et les processus industriels de manière « verte », sans avoir besoin de précurseurs de combustibles fossiles.

Dans la séparation photocatalytique de l'eau solaire, les scientifiques utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour séparer l'eau en ses éléments constitutifs : l'oxygène et l'hydrogène. Ce processus imite une étape cruciale de la photosynthèse naturelle et pourrait être un moyen propre et renouvelable de produire de l'énergie. Le problème est que l'efficacité du processus solaire à hydrogène (STH) est très faible, ce qui le rend peu économique par rapport aux méthodes à base de combustibles fossiles pour générer les grandes quantités d'hydrogène nécessaires à divers processus industriels.

9.2% d'efficacité

Au Michigan, Zétien Mi et ses collègues ont utilisé la partie ultraviolette-visible du spectre du Soleil pour photoexciter le semi-conducteur InGaN, l'amenant à produire des électrons et des «trous» (régions de charge positive) qui peuvent diviser l'eau en hydrogène et en oxygène. Les chercheurs ont ensuite utilisé la partie infrarouge de la lumière solaire pour chauffer le système de réaction à environ 70 °C. Ce chauffage a permis d'empêcher l'hydrogène et l'oxygène de se recombiner pour former de l'eau, qui est la principale «réaction inverse» dans la séparation de l'eau et un facteur limitant majeur de l'efficacité du STH.

Le résultat de cette stratégie a été une efficacité STH d'environ 7 % pour l'eau du robinet et l'eau de mer et de 6.2 % dans un prototype de système photocatalytique de séparation de l'eau à grande échelle situé à l'extérieur. À l'intérieur, le système a atteint une efficacité de 9.2 %, soit 10 fois plus que les précédentes expériences de séparation de l'eau à énergie solaire du même type.

L'appareil, que l'équipe décrit dans Nature, est également stable à des températures élevées et à des intensités lumineuses équivalentes à 160 Soleils. "En principe, cette technologie peut fournir de l'hydrogène aux stations de piles à combustible et à tous les processus industriels nécessitant de l'hydrogène", explique Mi. Monde de la physique. "Un avantage unique de cette approche est la génération distribuée d'hydrogène, par rapport aux procédés conventionnels de reformage centralisé du méthane à la vapeur, réduisant ainsi considérablement les coûts associés au transport de l'hydrogène."

Comme une feuille artificielle

Les électrodes à diffusion de gaz fabriquées par Marina Caretti et ses collègues de l'équipe de l'EPFL, quant à eux, sont basés sur des fibres de quartz (dioxyde de silicium) transformées en plaquettes de feutre qui sont ensuite fusionnées à des températures de 1350 °C. L'équipe a enduit les substrats poreux transparents résultants d'un film mince transparent d'un matériau photoactif, l'oxyde d'étain dopé au fluor, dans un procédé de dépôt chimique en phase vapeur atmosphérique pendant 10 min à 600 ° C avec du trichlorure de monobutylétain et de l'acide trifluoroacétique.

La structure ainsi réalisée a une porosité de 90% lui conférant le maximum de contact avec la vapeur d'eau de l'air et une bonne conductivité de 20 ± 3 Ω²^-1. Il est également transparent, permettant à la lumière de traverser le semi-conducteur revêtu.

Lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil, cet appareil se comporte comme une feuille artificielle, récoltant l'eau de l'air et utilisant la lumière du soleil pour produire de l'énergie (sous forme d'hydrogène gazeux, dans ce cas). L'énergie du rayonnement solaire est stockée dans des liaisons hydrogène, de la même manière que les feuilles des plantes stockent de l'énergie dans les liaisons chimiques des sucres et des amidons produits lors de la photosynthèse.

La technologie pourrait récolter l'humidité de l'air

Les chercheurs de l'EPFL, qui détaillent leurs travaux dans Matériaux avancés, reconnaissent que l'efficacité de conversion solaire en hydrogène de leur dispositif photoélectrochimique (PEC) est assez faible. Cependant, maximiser cette efficacité n'était pas un objectif de leur étude, et un membre de l'équipe Kévin Sivula précise que son efficacité théorique maximale est d'environ 12 %. Cela, dit-il, indique une "promesse d'amélioration".

"Le concept du système éliminera également le besoin d'un électrolyte très acide, traditionnellement utilisé dans les appareils PEC", a-t-il déclaré. Monde de la physique.

Les catalyseurs activés par la lumière font des séparateurs d'eau presque parfaits

Le prototype de l'équipe de l'EPFL n'a été stable que pendant environ une heure sous un éclairage d'un Soleil, ce qui, selon Sivula, «doit être amélioré» pour rendre l'appareil pratique. Une application possible pourrait être dans les cellules PEC, qui utilisent la lumière incidente pour stimuler un matériau photosensible tel qu'un semi-conducteur qui est immergé dans une solution liquide.. L'objectif dans ce cas est de provoquer des réactions chimiques, mais le processus présente certains inconvénients, l'un étant qu'il est compliqué de fabriquer des dispositifs PEC de grande surface qui utilisent une telle solution. Les nouveaux travaux montrent que la technologie PEC peut être adaptée pour récolter l'humidité de l'air à la place.

Optimisation en cours

Les chercheurs de l'EPFL cherchent maintenant à optimiser leur système en étudiant différentes tailles de fibres et de pores et différents matériaux semi-conducteurs. Ils poursuivent leur travail dans le cadre du projet européen Soleil à X, qui se consacre à l'avancement de cette technologie.

Les chercheurs du Michigan, pour leur part, envisagent maintenant de séparer l'hydrogène pur du mélange d'hydrogène et d'oxygène produit dans leur processus de séparation photocatalytique de l'eau à l'aide d'une membrane. "Nous développerons également une nouvelle approche photocatalytique pour produire directement de l'hydrogène de haute pureté à partir de la séparation de l'eau", a déclaré Mi.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• Platoblockchain. Intelligence métaverse Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/hydrogen-producing-solar-cells-mimic-photosynthesis/