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Fait marquant | Hydrogène | Solaire photovoltaïque

Imiter la nature pour produire de l’hydrogène solaire


​​ Le développement de cellules photo-électrochimiques est une solution pour produire de l’hydrogène décarboné selon une approche de photosynthèse artificielle mais il faut en simplifier la fabrication, optimiser leurs performances et s’assurer que leur production pourra être déployée à grande échelle. Des chercheurs de l'Irig décrivent la construction simplifiée et l’optimisation via son instrumentation d’une « feuille artificielle » ne renfermant que des éléments abondants avec 2 % de rendement de conversion d’énergie solaire en hydrogène.

Publié le 13 juin 2022
La production de carburants solaires, et en premier lieu l’hydrogène, est un objectif affiché dans le cadre de la transition écologique. Les procédés photo-électrochimiques offrent une solution pour produire de l’hydrogène vert à partir d’eau et d’énergie solaire de manière décentralisée mais il faut encore améliorer leurs performances et leur coût qui limitent l’exploitation de ces systèmes à grande échelle.

En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Science et Technologie de Hanoï (Vietnam), des chercheurs de l’Irig ont développé une feuille artificielle basée sur un cœur photovoltaïque (cellule silicium triple junction) en développant un procédé photochimique permettant de déposer en une étape et à partir d’un unique précurseur, les deux catalyseurs qui réalisent le dégagement d’hydrogène et l’oxydation de l’eau sur les deux faces de la feuille artificielle. Le dispositif monolithique est capable, lorsqu’il est plongé dans un milieu salé neutre, de convertir l’énergie solaire en hydrogène avec un rendement de 2 %.

L’optimisation de ces performances passe maintenant par une meilleure compréhension des phénomènes limitant les étapes de conversion et la mesure des paramètres de catalyse sur chacune des deux faces de la feuille artificielle. Les chercheurs de l’Irig ont ainsi instrumenté la cellule de manière à pouvoir mesurer de manière indépendante le potentiel électrochimique de fonctionnement de chacun des catalyseurs, le courant parcourant la cellule et de quantifier la production d’hydrogène. Une telle caractérisation operando a permis de mettre en lumière l’impact des défauts des couches de protection de la cellule triple jonction de cœur et de proposer des pistes pour l’optimisation de la feuille artificielle.

La figure montre au centre la feuille artificielle produisant de l’hydrogène et de l’oxygène à partir d’eau sous éclairement.
© Duc Nguyen Ngoc/CEA

Ce projet de recherche s’inscrit dans le contexte du programme « recherche fondamentale pour l’énergie » au CEA et au niveau Européen, dans celui de l’initiative SUNERGY et du projet SUNER-C, qui a démarré le 1er juin 2022 (durée 3 ans, budget 4 M€).
SUNERGY et SUNER-C ont pour vocation de développer et renforcer la communauté des carburants et de la chimie solaires en Europe et préparer la voie à une action commune européenne de grande ampleur comme un partenariat public-privé. Le CEA est co-coordinateur de SUNERGY et de SUNER-C avec trois directions opérationnelles impliquées, la Direction de la Recherche Fondamentale (direction opérationnelle porteuse pour le CEA), la Direction de la Recherche Technologique et la Direction des EnergieS.

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