De l'hydrogène vert à partir de l'énergie solaire
Une équipe de chercheurs met au point une cellule solaire très efficace permettant une production décentralisée d'hydrogène
Des chercheurs du monde entier travaillent sur des méthodes plus efficaces de production d'hydrogène. L'hydrogène pourrait contribuer de manière décisive à réduire la consommation de matières premières fossiles, surtout s'il est produit à partir d'énergies renouvelables. Les technologies existantes pour produire de l'hydrogène sans impact sur le climat sont encore trop inefficaces ou trop coûteuses pour une application à grande échelle. Une équipe de chercheurs de l'université de Tübingen présente aujourd'hui un nouveau type de cellule solaire au rendement remarquablement élevé. Elle permet une production décentralisée d'hydrogène et offre un potentiel d'applications à l'échelle industrielle. Les résultats ont été publiés dans la revue Cell Reports Physical Science.
La cellule photoélectrochimique de Schlenk dans le simulateur solaire. La zone rectangulaire grise avec un cadre noir au premier plan est la cellule solaire photoélectrochimique.
© Valentin Marquardt / Universität Tübingen
Une cellule solaire sur une plongée
Lorsque l'hydrogène est produit à partir de l'eau par électrolyse à l'aide d'énergies renouvelables, on parle d'"hydrogène vert" en raison de sa production respectueuse du climat. Dans le cas de la séparation solaire de l'eau, souvent appelée photosynthèse artificielle, l'hydrogène est produit à partir de l'énergie du soleil. Une équipe de recherche dirigée par le Dr Matthias May de l'Institut de chimie physique et théorique de l'université de Tübingen a mis au point une cellule solaire qui fait partie intégrante de l'appareil photoélectrochimique et fonctionne directement avec les catalyseurs pour la division de l'eau. La particularité du développement de Tübingen est qu'un circuit externe supplémentaire, comme dans un panneau solaire photovoltaïque, n'est plus nécessaire.
Cette approche innovante rend la technologie plus compacte, plus flexible et potentiellement plus rentable. Mais cette conception entraîne des exigences plus élevées pour la cellule solaire. "Pour les chercheurs dans ce domaine, la réalisation d'une photo-électrochimie stable et efficace ou d'une division directe de l'eau est en quelque sorte un Graal", explique M. May.
La particularité de la structure de la cellule solaire réside dans le degré élevé de contrôle des interfaces entre les différents matériaux. Les structures de surface sont produites et contrôlées à l'échelle de quelques nanomètres, ou millionièmes de millimètre. Les petits défauts cristallins qui apparaissent, par exemple, lors de la croissance des couches des cellules solaires, sont particulièrement problématiques. Ces défauts modifient également la structure électronique et peuvent donc réduire à la fois l'efficacité et la stabilité du système.
M. May ajoute : "Globalement, cependant, la corrosion - et donc la stabilité à long terme de la cellule solaire dans l'eau - reste le plus grand défi. Sur ce point, nous avons fait de grands progrès par rapport à nos travaux antérieurs".
La conception technique de la nouvelle cellule est à la fois innovante et particulièrement efficace. Le taux d'efficacité de la cellule indique le pourcentage de l'énergie solaire qui peut être converti en énergie hydrogène utilisable (pouvoir calorifique). L'équipe de recherche a obtenu un rendement de 18 %, soit la deuxième valeur la plus élevée jamais mesurée pour la séparation solaire directe de l'eau. Les premiers rendements significatifs pour le fractionnement solaire de l'eau ont été présentés en 1998 par le NREL aux États-Unis avec 12 %. Ce n'est qu'en 2015 qu'ils sont passés à 14 % (May et al.) et en 2018 à 19 % (Cheng et al.).
Une application à grande échelle envisageable
Plusieurs projets menés dans d'autres universités montrent que la technologie, même avec des rendements beaucoup plus faibles, peut être commercialisée. Erica Schmitt, premier auteur de l'étude, explique : "Ce que nous avons développé ici est une technologie de production d'hydrogène solaire qui ne nécessite pas de connexion performante au réseau électrique. Cela signifie que des solutions autonomes permanentes plus petites pour l'approvisionnement en énergie sont également envisageables."
Les travaux de Tübingen s'inscrivent dans le projet commun H2Demo, auquel participent des partenaires extérieurs, notamment l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE). Les prochaines étapes consistent à améliorer la stabilité à long terme, à passer à un système de matériau à base de silicium plus rentable et à étendre la technologie à de plus grandes surfaces. Les résultats de la recherche pourraient contribuer de manière significative à l'approvisionnement en énergie et à la réduction des émissions de CO2.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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