Une nouvelle famille de matériaux pour la production solaire d’hydrogène
Il est possible de fabriquer de l’hydrogène vert ou décarboné directement avec de l’énergie solaire et de l’eau dans des cellules photo-électro-chimiques. Le problème est le coût et la difficulté de fabrication de ces matériaux. La nouveauté est que ceux présentant des défauts cristallins dans le matériau semi-conducteur peuvent être utilisés efficacement pour produire de l’hydrogène.
L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique pour produire de l’électricité et de la chaleur sur demande est une solution pour le stockage de l’énergie presque idéale dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique et du développement durable, pour les besoins domestiques, dans le transport, ou à grande échelle dans des centrales de production d’énergie.
En effet, combiné avec l’oxygène de l’air, l’hydrogène permet de produire de l’énergie thermique ou électrique en ne dégageant aucune émission polluante (principalement de l’eau). C’est par exemple le cas dans les piles à combustible utilisées dans les véhicules fonctionnant à l’hydrogène qui combinent hydrogène et oxygène pour produire du courant électrique et alimenter un moteur électrique.
Néanmoins, l’hydrogène utilisé actuellement est essentiellement produit à partir d’énergies fossiles, et il est donc nécessaire de trouver d’autres modes de production décarbonés. L’une des possibilités est d’utiliser directement l’énergie solaire pour produire de l’hydrogène à partir d’eau dans des cellules photo-électro-chimiques. Ces cellules sont composées de photo-électrodes, sortes de cellules solaires plongées directement dans de l’eau, qui permettent de collecter l’énergie solaire, et utiliser cette énergie pour casser les molécules d’eau pour former des molécules d’hydrogène et d’oxygène.
Une approche différente
C’est l’approche choisie par notre consortium constitué de scientifiques rennais, avec Nicolas Bertru et Yoan Léger (Institut FOTON-CNRS, INSA Rennes) et Bruno Fabre (Institut des sciences chimiques de Rennes–CNRS, Université de Rennes 1), et en collaboration avec des membres de l’Institut de Physique de Rennes–CNRS à l’Université de Rennes 1.
Dans le travail qui vient d’être publié dans la revue Advanced Science, nous proposons d’utiliser une nouvelle famille de matériaux avec des propriétés photo-électriques tout à fait étonnantes pour produire de l’hydrogène solaire efficacement, à faible coût et impact environnemental. Cette proposition est accompagnée de plusieurs démonstrations de photo-électrodes fonctionnant sous illumination solaire.
Les semi-conducteurs sont des matériaux ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs électriques (le plus souvent des métaux), et les isolants. Ces propriétés peuvent être par exemple utilisées pour laisser passer ou non le courant électrique sur demande, comme dans le cas du silicium, matériau abondant et peu cher, formant la base de toutes les puces électroniques actuelles.
Mais elles peuvent aussi être utilisées pour l’émission, ou l’absorption de la lumière, comme dans le cas des semi-conducteurs dits «III-V» qui sont utilisés dans une large gamme d’applications, allant des émetteurs lasers ou LEDs et autres capteurs optiques, jusqu’aux cellules solaires photovoltaïques pour l’aérospatial. On les nomme «III-V» car ils se composent d’un ou plusieurs éléments de la colonne III et de la colonne V du tableau périodique de Mendeleïev.
Si ces matériaux «III-V» sont très performants, ils sont aussi également plus coûteux. C’est dans ce contexte que de nombreux chercheurs tentent depuis les années 1980, de déposer de très fines couches de ces matériaux, sur des substrats de silicium pour obtenir de hautes performances optiques, nécessaires pour garantir pas exemple une bonne absorption du rayonnement dans une cellule solaire, ou pour garantir une émission de lumière efficace dans un laser, tout en réduisant ainsi drastiquement le coût de fabrication et l’empreinte environnementale des composants développés.
L’un des principaux problèmes de cette approche était lié à l’apparition de défauts cristallins dans le matériau semi-conducteur, c’est-à-dire à la présence d’un ou plusieurs atomes mal positionnés par rapport à l’arrangement parfaitement régulier que devraient avoir les atomes du cristal idéalement. Ceci a pour conséquence de dégrader les performances des lasers ou des cellules solaires ainsi développées, et c’est pourquoi les efforts en recherche portaient essentiellement sur la réduction ou la suppression de ces défauts.
A contrario, notre équipe a démontré que ces irrégularités du cristal, considérées usuellement comme des défauts, avaient des propriétés physiques très originales (des inclusions avec un caractère métallique), qui pouvaient être utilisées efficacement pour la production d’hydrogène solaire, et pour bien d’autres applications photo-électriques.
De surprenantes propriétés
Notre travail montre donc que la présence de parois d’antiphase (l’acronyme anglais «APB» est utilisé sur l’illustration), qui sont des défauts cristallins bien spécifiques inversant localement l’arrangement des atomes, dans les matériaux III-V déposés sur silicium, leur confère des propriétés physiques tout à fait remarquables et sans précédent. En particulier, nous montrons que ces parois se comportent localement (à l’échelle atomique) comme des inclusions métalliques, dans un matériau qui est, lui, semi-conducteur.
(Gauche): Représentation schématique d’une photo-électrode associant une couche mince (typiquement 1µm) de semi-conducteur III-V (rose) et un substrat de Si (violet), pouvant servir en anode ou en cathode. (Droite): Les échantillons produits (haut) ont une surface d’environ 20 cm² et servent à réaliser des photo-électrodes (bas), utilisées pour la photo-électro-chimie. Author provided
Ceci permet au matériau d’être à la fois photo-actif (absorption de la lumière et conversion en charges électriques), et métallique localement (transport des charges électriques). Plus surprenant encore, le matériau peut conduire à la fois les charges positives et négatives (caractère ambipolaire). Dans ce travail, une preuve de concept est présentée à travers la réalisation de plusieurs photo-électrodes III-V/Si (cf. photos de la figure ci-jointe) pour la production d’hydrogène solaire, avec des performances comparables aux meilleures photo-électrodes III-V conventionnelles, mais avec un coût de production et un impact environnemental beaucoup plus faibles du fait de l’utilisation du substrat de silicium.
Pour l’instant, ces échantillons ont permis de produire de l’hydrogène à l’échelle de la cellule de laboratoire, mais il semble possible d’imaginer que si la stabilité de ces matériaux est améliorée, elles pourront, dans le futur, servir de substrat pour une conversion de l’énergie solaire en hydrogène à plus grande échelle.
De nouvelles propriétés pour de nouvelles applications
Dans cette étude, la démonstration de photo-électrodes pour la production d’hydrogène solaire permet d’une part de mieux appréhender les propriétés du matériau, et d’autre part de valider son application dans un système fonctionnel. Mais, au-delà de cette application démontrée, les propriétés intrinsèques de cette nouvelle famille de matériaux qui peuvent être élaborés assez simplement, permettent aussi d’envisager de nombreuses autres applications. La capacité du matériau à convertir efficacement la lumière en charges électriques en fait par exemple un candidat de choix pour les cellules solaires photovoltaïques, ou les capteurs optiques. Ses propriétés de transport des charges électriques et de conduction anisotrope pourraient être utilisées pour l’électronique et le calcul quantique. Enfin, les phénomènes physiques liés à la lumière et au courant électrique se déroulant à l’échelle nanométrique, ce matériau pourrait aussi être considéré pour envisager de nouvelles architectures photoniques intégrées.
Le 22/07/2022
Source web par : transitions energies
Les tags en relation
Les articles en relation
Air Liquide : nouvelle technologie de craquage
(Boursier.com) — Air Liquide a annoncé la construction d'une unité pilote de craquage d'ammoniac (NH3) de taille industrielle dans le port d'Anv...
#France_Europe_Maroc : « En finir avec les schémas traditionnels »
ANALYSE. Quel statut pour le Maroc vis-à-vis de la France et de l’Europe ? Par cette question, l’Institut EGA interroge la realpolitik appliquée à l’Af...
Un Marocain crée la première voiture qui roule à l’hydrogène
Faouzi Annajah, fils d’un ouvrier marocain qui a travaillé plus d’une trentaine d’années chez le constructeur français Renault, a dévoilé le mercredi...
GUIDE METHODOLOGIQUE POUR L’ELABORATION D’UN PLAN TERRITORIAL DE LUTTE CONTRE LE RECHAUFFEMENT C
GUIDE METHODOLOGIQUE POUR L’ELABORATION D’UN PLAN TERRITORIAL DE LUTTE CONTRE LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE Vous pouvez cliquer sur l’image pour voir...
Energies renouvelables : l’espagnol Prodiel fait ses adieux au Maroc
Le groupe espagnol Prodiel, spécialisé dans les installations électriques et l’intégration de solutions photovoltaïques et éoliennes a décidé de quitt...
Investor Day : La région Guelmim-Oued Noun lance une opération séduction
Les travaux de la rencontre «Investor Day», dédiée à la promotion des investissements dans la région de Guelmim-Oued-Noun, se sont déroulés les 26 et 27...
#Allemagne_Norvège_Hydrogène : Un gigantesque pipeline entre l'Allemagne et la Norvège
Le producteur d'électricité allemand RWE et la compagnie énergétique norvégienne Equinor viennent d'annoncer leur intention d'installer un giga...
Energies renouvelables : Le Sahara Marocain peut fournir 10% des besoins de l’Europe.
Le directeur général du Fonds d’investissement Mohammed VI, Mohamed Benchaâboun, confirme le rôle d’avant- garde du Maroc dans la compétitivité mondia...
Le réchauffement des océans a été largement sous-estimé
Depuis 2014, les experts climatiques étaient perplexes : la hausse de température mesurée des océans n'était pas aussi forte que ce que les modèles cl...
Le royaume du Maroc précurseur dans le déploiement de l’hydrogène vert : organisation du 2ème
Sous l’égide du Ministre de la Transition Energétique et du Développement Durable, l’Institut de Recherche en Énergie Solaire et Énergies Nouvelles (IR...
COP 28 : Accord pour une transition vers l'abandon des énergies fossiles
Les pays du monde entier ont approuvé, mercredi à la clôture de la COP28 à Dubaï, une décision appelant à une "transition" vers l'abandon des énergi...
Maroc-Allemagne : le projet de production d’hydrogène vert mort-né?
Les tensions actuelles entre l’Allemagne et le Maroc ont mis un coup de frein au projet de neutralité énergétique de Berlin, qui mise à présent sur des p...