Au cours des dernières années, le biomimétisme a été de plus en plus utilisé dans divers domaines technologiques, le but étant de reproduire certains mécanismes naturels afin d’augmenter l’efficacité des appareils tout en abaissant leurs coûts de production. C’est particulièrement le cas dans le domaine de la production d’énergie. Récemment, une équipe de chercheurs de l’université de Rice a mis au point une « feuille artificielle » : un système alimenté par l’énergie solaire utilisant l’eau pour produire de l’hydrogène. Ce dispositif permettrait de produire du carburant propre de manière efficace et à moindre coût.
Le prototype développé par le laboratoire des matériaux de la Brown School of Engineering intègre des électrodes catalytiques et des cellules solaires en pérovskite qui, lorsqu’elles sont déclenchées par la lumière du Soleil, produisent de l’électricité. Le courant circule vers les catalyseurs, qui transforment l’eau en hydrogène et en oxygène, avec une efficacité lumière solaire-hydrogène pouvant atteindre 6.7%.
Ce type de catalyse n’est pas nouveau, mais le laboratoire a emballé une couche de pérovskite et les électrodes dans un seul module qui, une fois plongé dans l’eau et placé au Soleil, produit de l’hydrogène sans autre apport. Le prototype, décrit dans la revue ACS Nano, est un producteur autonome de carburant qui, selon eux, devrait être simple à produire en grande quantité.
« Le concept est largement similaire à une feuille artificielle. Ce que nous avons est un module intégré qui transforme la lumière du Soleil en électricité qui entraîne une réaction électrochimique. Il utilise l’eau et la lumière du Soleil pour obtenir des carburants chimiques », explique Jun Lou, physicien des matériaux.
Des matériaux de catalyse peu coûteux associés aux pérovskites
Les pérovskites sont des cristaux à mailles cubiques connus pour absorber la lumière. Les cellules solaires en pérovskite les plus efficaces produites jusqu’à présent atteignent une efficacité supérieure à 25%, mais les matériaux sont chers et ont tendance à être soumis à des contraintes de lumière, d’humidité et de chaleur.
« Nous avons remplacé les composants les plus chers, comme le platine, des cellules solaires en pérovskite, par des alternatives comme le carbone. Cela abaisse la barrière d’entrée pour une adoption commerciale. Les appareils intégrés comme celui-ci sont prometteurs car ils créent un système durable. Cela ne nécessite aucune alimentation externe pour maintenir le module en marche », indique Lou.
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Le rôle essentiel du polymère encapsulant le dispositif
Le composant clé n’est peut-être pas la pérovskite mais le polymère qui l’encapsule, protégeant le module et lui permettant d’être immergé pendant de longues périodes. « D’autres ont développé des systèmes catalytiques qui connectent la cellule solaire en dehors de l’eau à des électrodes immergées avec un fil. Nous simplifions le système en encapsulant la couche de pérovskite avec un film de Surlyn (polymère) », ajoute Lou. Le film à motifs permet à la lumière du Soleil d’atteindre la cellule solaire tout en la protégeant et sert d’isolant entre les cellules et les électrodes.
« Avec une conception intelligente, vous pouvez potentiellement créer une boucle autoentretenue. Même lorsqu’il n’y a pas de Soleil, vous pouvez utiliser l’énergie stockée sous forme de carburant chimique. Vous pouvez mettre l’hydrogène et l’oxygène produits dans des réservoirs séparés et incorporer un autre module comme une pile à combustible pour transformer ces carburants en électricité », explique Lou. Les chercheurs ont déclaré qu’ils continueraient d’améliorer la technique d’encapsulation ainsi que les cellules solaires elles-mêmes pour augmenter l’efficacité des modules.