20 novembre 2014 | La Revue POLYTECHNIQUE 09/2014 | Physique

Production d’hydrogène grâce au rayonnement solaire

Dans le monde entier, les scientifiques travaillent sur des cellules solaires qui imitent la photosynthèse des plantes et qui produisent des carburants synthétiques tels que l’hydrogène, à partir du rayonnement solaire et de l’eau. Des chercheurs de l’Empa ont développé une cellule photoélectrochimique qui imite l’œil des mites et qui accroît ainsi considérablement son taux de transformation du rayonnement solaire.

L’oxyde de fer, autrement dit la rouille, pourrait révolutionner la technique solaire. Ce composé - le plus souvent indésirable - permet de confectionner des photoélectrodes qui scindent l’eau pour produire de l’hydrogène. Le rayonnement solaire n’est pas tout d’abord transformé en électricité, mais directement en un carburant de valeur.

Très peu coûteux, l’oxyde de fer absorbe la lumière précisément dans le domaine de longueur d’onde dans lequel le soleil émet le plus de lumière. Il est cependant très mauvais conducteur d’électricité et il faut donc l’utiliser sous forme de films ultraminces pour que la scission de l’eau fonctionne. Le désavantage: ces films minces absorbent trop peu le rayonnement solaire.

Florent Boudoire teste le fonctionnement de sa photoélectrode avec un simulateur de rayonnement solaire. (Photo: Empa)

«La capture de la lumière» simulée sur ordinateur

On pourrait penser que ces opérations de mélange, de pulvérisation et de cuisson tiennent de l’alchimie – et que leur résultat est dû au hasard. Toutefois, parallèlement à leur expérimentation, les chercheurs ont procédé à une modélisation sur ordinateur et simulé ainsi la «capture de la lumière» dans les sphérules d’oxydes métalliques.

Comment se crée la cellule solaire à œil de mite et comment elle capte la lumière. (Infographie: Empa)

Le résultat de ces simulations concordait avec les essais, comme le confirme le chef du projet Artur Braun. Il est ainsi possible de distinguer clairement les contributions de l’oxyde de tungstène et de l’oxyde de fer à la formation du courant photoélectrique. Et plus les sphérules sont petites, plus grande est la quantité de lumière qui parvient sur l’oxyde de fer qui les recouvre. Dans une prochaine étape, les chercheurs désirent étudier quels sont les effets que produisent plusieurs couches superposées de ces sphérules. Ainsi, le travail sur les cellules photoélectrochimiques à structure d’œil de mite se poursuit.

Le fonctionnement de la cellule solaire «à œil de mite»: les molécules d’eau sont scindées à l’aide du rayonnement solaire. Il se forme alors de l’oxygène et de l’hydrogène. (Infographie: Empa)

Bibliographie

Florent Boudoire, Rita Toth, Jakob Heier, Artur Braun, Edwin C. Constable,Photonic light trapping in self-organized all-oxide microspheroids impacts photoelectrochemical water splitting, Energy & Environmental Sciences, in press.