Des chercheurs allemands et hollandais viennent de mettre au point une cellule solaire capable de produire de l’hydrogène et de l’oxygène par électrolyse de l’eau, ou hydrolyse. De quoi stocker l’énergie solaire et envisager un mode de production durable pour l’hydrogène, un potentiel carburant d’avenir.
Quand la lumière (flèche arc-en-ciel) atteint le système, un potentiel électrique est créé. La couche d’oxyde métallique (grad-doped BiVO4) capte une partie de la lumière et sert de photoanode. La couche est reliée à la cellule solaire (en noir) par l’intermédiaire d’un pont conducteur en graphite. La cellule reçoit également une partie de la lumière, augmentant le potentiel électrique. L’oxygène se forme alors au niveau de la photoanode, tandis que l’hydrogène est dégagé au niveau d’une spirale de platine plongée dans l’eau et qui fait office de cathode.
Souvent évoqué comme le carburant du futur, l’hydrogène est un bon candidat pour alimenter les voitures dotées de piles à combustible. Mais il rencontre un plusieurs écueils : sa production avec les méthodes actuelles (comme l’électrolyse) reste chère, peu efficace, et impacte l’environnement.
Aussi, la possibilité de produire de l’hydrogène à partir d’eau et de lumière du soleil est suivie avec sérieux, et plusieurs recherches récentes en témoignent. En 2008, des chercheurs russes avaient proposé une méthode de photosynthèse artificielle dans ce but.
Une équipe suisse poursuit le même objectif, en tournant ses recherches vers l’eau et l’oxyde de fer, plus communément appelé rouille. L’an dernier, cette équipe courait toujours après un rendement de conversion de 10 % de l’énergie solaire en hydrogène.
Conversion bon marché de l’énergie solaire en hydrogène
Dans le même ordre d’esprit, des chercheurs de l’université de technologie de Delft (Pays-Bas) et du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ont couplé une cellule solaire simple et une photoanode en oxyde métallique, ont réussi à atteindre un taux de conversion de 5 % de l’énergie lumineuse en hydrogène.
Selon les scientifiques, leur dispositif est nettement moins coûteux que des cellules de haut rendement à triple jonction en silicium amorphe ou d’autres semi-conducteurs utilisés pour ce type de réaction. Leurs résultats sont exposés dans la revue Nature Communications.
Pour leur photoanode, le choix s’est porté sur le vanadate de bismuth (BiVO4), qui, à l’instar de la cellule solaire simple, a un coût modique : il est disponible en abondance, et est utilisé comme pigment jaune dans les peintures. Son usage permet en principe d’atteindre un taux de conversion de 9 % de l’énergie lumineuse en hydrogène dans le dispositif des chercheurs. Cet oxyde métallique a donc été déposé sur une surface de verre conducteur.
Puis l’on a recouvert le tout d’un catalyseur bon marché, le phosphate de cobalt, en contact avec l’eau, et qui aide à accélérer notablement la formation de dioxygène. Le tout repose sur la cellule solaire, et celle-ci n’est donc pas en contact avec l’eau.
Le plus grand défi, pour les chercheurs, résidait dans la séparation correcte des charges au sein de l’oxyde métallique. En d’autres termes, il s’agissait d’éviter leur recombinaison : si les charges se recombinent, elles ne sont plus disponibles pour la réaction d’électrolyse, le but premier du dispositif.
L’ajout d’atomes de tungstène au sein de la couche d’oxyde métallique remplit ce rôle. « L’important était de distribuer ces atomes de manière à générer un champ électrique dans la couche, qui aide à empêcher les recombinaisons », explique Roel van de Krol, qui a dirigé ces travaux.
En revanche, les chercheurs ne comprennent pas encore totalement pour quelle raison le vanadate de bismuth présente de meilleurs résultats que les autres oxydes métalliques. Cerise sur le gâteau, « plus de 80 % des photons incidents contribuent au courant, une valeur inattendue qui établit un nouveau record pour un oxyde métallique », poursuit Roel van de Krol.
Vers une production significative d’hydrogène directement sur les toits ?
Les scientifiques ont ainsi obtenu un moyen relativement simple et peu onéreux de convertir de l’énergie solaire en hydrogène grâce à un procédé de photosynthèse artificielle. Une fois l’hydrogène stocké, on peut s’en servir sous différentes formes : dans des piles à combustible ou encore sous forme de méthane, selon l’usage visé.
Reste la question de la montée en échelle, et les chercheurs vont y consacrer leurs prochains efforts. Avec le rendement actuel de 5 % dans la conversion de la lumière solaire en hydrogène, et en prenant une performance solaire de l’ordre de 600 W/m2 en Allemagne, un peu plus d’une trentaine de mètres carrés suffiraient pour dépasser la barre du kilowattheure stocké chaque heure sous forme d’hydrogène.
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[NB : L'article ci-dessous date de 2008]
L’hydrogène bientôt utilisé pour stocker l’énergie solaire
En s’inspirant de la photosynthèse, des chercheurs étudient le moyen de se servir de l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau, lequel peut être stocké plus facilement que l’électricité avant d’être utilisé dans une pile à combustibles. Deux équipes viennent indépendamment de réaliser chacune une grande avancée.
Au Massachusetts Institute of Technology (MIT), Daniel Nocera et ses collègues s’obstinent à réussir une réaction chimique que les plantes vertes effectuent tant qu’il y a du soleil : la cassure de la molécule d’eau en ses deux constituants, l’hydrogène et l’oxygène.
Réalisée dans les feuilles grâce à la chlorophylle (ou à des pigments différents chez d’autres organismes photosynthétiques) et à l’énergie apportée par la lumière, elle constitue l’une des deux réactions de la photosynthèse, l’autre étant la transformation du gaz carbonique (CO2) en une molécule organique qui servira à fabriquer des sucres.
On sait depuis longtemps la réaliser en apportant de l’énergie sous forme électrique. C’est l’électrolyse. En plongeant deux électrodes dans l’eau et en appliquant une tension suffisante, on obtient un dégagement d’oxygène à l’anode et d’hydrogène à la cathode. Mais l’idée d’effectuer la réaction sans autre apport d’énergie que celle du soleil hante les laboratoires depuis longtemps.
L’hydrogène, que l’on commence à savoir enfermer dans des réservoirs, est bien plus commode à stocker que l’électricité. On peut ensuite récupérer l’énergie ainsi mise en réserve, par exemple dans une pile à combustibles où s’effectue la réaction inverse, produisant de l’eau et du courant électrique. L’hydrogène peut aussi être utilisée par d’autres moyens. L’énergie solaire pourrait alors être utilisée de manière plus souple qu’en produisant de l’électricité au gré de l’ensoleillement.
A la recherche du catalyseur
Mais il reste encore un long chemin à parcourir pour égaler l’efficacité des plantes vertes. L’électrolyse réclame énormément d’énergie alors que la photosynthèse se contente de peu. Si l’on parvient à trouver un moyen pour réaliser l’électrolyse avec une quantité d’électricité suffisamment faible, celle-ci pourrait être alors fournie par des cellules solaires. Les chercheurs sont persuadés que la solution se trouve dans le domaine de la chimie et en particulier des catalyseurs, ces molécules capables d’accélérer considérablement une réaction chimique sans être elles-mêmes altérées.
L’équipe de Daniel Nocera vient de présenter une remarquable avancée dans ce domaine en mettant au point un catalyseur à la fois efficace et bon marché. Alors que les recherches précédentes suivaient la piste d’un matériau à la structure maîtrisée, celui des chercheurs du MIT est amorphe et se forme de lui-même en s’accumulant spontanément autour de l’électrode (l’anode, en l’occurrence).
Cette dernière est constituée d’un oxyde d’étain et d’indium, plongée dans une solution contenant du phosphate de potassium et du cobalt. Sous l’action du champ électrique, ces éléments s’accumulent autour de l’anode où ils deviennent un catalyseur très efficace pour rompre la molécule d’eau et produire de l’oxygène gazeux, qui s’échappe, et des ions d’hydrogène, qui restent dans la solution.
« Nocera a probablement retiré du travail à beaucoup de chercheurs » plaisante Karsten Meyer, chimiste à l’université Friedrich Alexander (Allemagne), qui s’exprime dans la revue du MIT et n’hésite à qualifier cette réalisation de « plus grande découverte du siècle » dans le domaine de l’énergie solaire.
Une électrode en plastique
Côté cathode, en revanche, là où doit être produit l’hydrogène gazeux (et les ions en oxygène qui restent en solution), le catalyseur utilisé par l’équipe est le platine, un élément rare dont il est inutile de rappeler le coût.
Mais les laboratoires mondiaux ne chôment pas et, dans le même temps, à des milliers de kilomètres de là, une autre équipe, celle de Bjorn Wintehr-Jensen et ses collègues de l’université Monash, à Clayton (Australie), mettaient au point un catalyseur en plastique. Ces chercheurs ont en effet remplacé l’onéreux platine par un polymère, variante du polyéthylène, le poly(3,4-ethylenedioxythiophene), alias PEDOT, appliqué sur une membrane en Goretex.
Elle fonctionne au contact de l’air (l’électrolyte étant de l’autre côté) et offre une surface considérable. Il ne faut plus de platine mais tout de même une très faible quantité d’or, qui vient recouvrir les fibres de Goretex.
L’idée de l’électrolyse à faible consommation d’énergie avance donc à grand pas. La réalisation d’une production d’hydrogène à partir d’énergie solaire se rapproche assez nettement. Mais Daniel Nocera, et d’autres, ont toujours pour objectif d’imiter la photosynthèse et d’utiliser directement l’énergie des rayons solaires pour produire l’hydrogène. A regarder l’activisme des laboratoires du monde entier dans ce domaine, on peut conclure que cet objectif n’est ni utopique ni très éloigné…
Futura Sciences (Article de 2008)