Un nouveau type de cellule solaire peut convertir l’eau liquide en hydrogène propre 10 fois plus efficacement que toute autre technologie, et utilise 10 000 fois moins de matériaux précieux dans le processus.
Inventé par des chercheurs néerlandais, le secret de ces nouveaux prototypes de cellules solaires réside dans les nanofils de phosphure de gallium, qui peuvent séparer l’eau en ses composants hydrogène et oxygène de manière beaucoup plus économique et efficace que les batteries et les matériaux semi-conducteurs utilisés jusqu’à présent.
L’efficacité de la technologie des cellules solaires s’est améliorée de façon spectaculaire au cours de la dernière décennie, et l’Allemagne couvre désormais au moins la moitié de ses besoins énergétiques nationaux. Au début de cette année, aux Pays-Bas, il a été annoncé qu’une minuscule portion de route de 70 mètres recouverte de cellules solaires produisait suffisamment d’électricité pour alimenter un foyer pendant un an.
Ces dernières années, les scientifiques ont cherché à aller plus loin en utilisant des cellules solaires pour produire à la fois du carburant et de l’électricité. Le rêve est qu’un jour nous n’utiliserons rien d’autre que l’énergie illimitée du soleil pour alimenter non seulement nos maisons, mais aussi nos voitures, nos trains et nos bus.
Des études antérieures ont montré que la connexion d’une cellule solaire au silicium existante à une batterie de fractionnement de l’eau pouvait produire de l’hydrogène, mais ce processus n’est certainement pas assez bon marché pour constituer une alternative réaliste. L’option la plus prometteuse consiste à utiliser une sorte de matériau semi-conducteur capable de convertir la lumière du soleil en une charge électrique tout en séparant l’eau en composants utilisables, comme une pile à combustible solaire tout-en-un, mais les matériaux semi-conducteurs ne sont pas non plus bon marché.
Une équipe de l’université technologique d’Eindhoven a étudié le potentiel du phosphure de gallium (GaP), un composé de gallium et de phosphure également utilisé dans la production de lampes LED de couleur rouge, orange et verte, et qui a montré un grand potentiel en termes de propriétés électriques. Mais le phosphure de gallium est coûteux à produire et, lorsqu’il est utilisé en grandes feuilles plates, il n’est pas capable d’absorber la lumière du soleil aussi efficacement que nécessaire pour un système de cellules solaires viable. Les chercheurs ont donc essayé de produire une grille de minuscules nanofils de phosphure de gallium mesurant 90 nanomètres d’épaisseur et 500 nanomètres de longueur, et les ont intégrés à la technologie des cellules solaires existantes.
Non seulement ils ont fini par utiliser 10 000 fois moins de phosphure de gallium que s’ils l’avaient utilisé pour construire une surface plane, mais ils ont découvert une toute nouvelle façon de fabriquer du combustible solaire. “Cela a immédiatement augmenté le rendement de l’hydrogène d’un facteur 10 à 2,9 pour cent”, explique le communiqué de presse. “Un record pour les cellules GaP, même si ce résultat est encore loin des 15 % atteints par les cellules en silicium couplées à une batterie”
L’équipe soutient que ce n’est pas seulement le rendement que nous devrions regarder lorsqu’il s’agit de produire du carburant solaire, mais aussi le coût du système, car s’il n’est pas moins cher que ce que nous obtenons déjà des combustibles fossiles, personne ne l’utilisera, même s’il est meilleur pour l’environnement. Leur défi consiste maintenant à trouver comment augmenter le rendement de leurs grilles de phosphure de gallium afin que leurs cellules solaires puissent atteindre ce rendement de 15 % pour les batteries.
“Pour les nanofils, nous avons eu besoin de 10 000 matériaux précieux de GaP en moins que dans les cellules à surface plane. Cela rend ce type de cellules potentiellement beaucoup moins chères”, explique Erik Bakkers, chercheur principal. “En outre, le GaP est également capable d’extraire l’oxygène de l’eau, ce qui permet de disposer d’une pile à combustible dans laquelle l’énergie solaire peut être temporairement stockée. En bref, pour l’avenir des combustibles solaires, nous ne pouvons plus ignorer le phosphure de gallium.”
Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.