Production solaire d’hydrogène renouvelable : une découverte majeure

Des scientifiques rennais découvrent une nouvelle famille de matériaux permettant la production solaire d’hydrogène renouvelable.

L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique pour produire de la chaleur ou de l’électricité sur demande est une solution presque idéale dans le cadre général 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 en ne dégageant que de l’eau. 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 de l’eau dans des cellules photo-électro-chimiques. C’est l’approche choisie par une équipe de scientifiques Rennais, regroupée autour de Charles Cornet, Nicolas Bertru et Yoan Léger de l’équipe OHM de l’Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l'information (FOTON - UMR 6082 CNRS, Université de Rennes 1 et INSA Rennes) et de Gabriel Loget et Bruno Fabre de Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR - UMR CNRS 6226 - CNRS, Université de Rennes 1, INSA Rennes et ENSCR), et en collaboration avec des membres de l’Institut de Physique de Rennes (IPR - UMR CNRS 6251 - CNRS et Université de Rennes 1).

Dans le travail qui vient d’être publié dans la prestigieuse revue « Advanced Science », l’équipe rennaise propose d’utiliser une nouvelle famille de matériaux avec des propriétés photo-électriques tout à fait étonnantes pour produire de l’hydrogène solaire efficacement et à faible coût et faible impact environnemental. Cette proposition est accompagnée de plusieurs démonstrations de photo-électrodes fonctionnant sous illumination solaire.

Des inclusions 2D semi-métalliques dans des semi-conducteurs à l’origine des propriétés surprenantes observées. 

Les semi-conducteurs III-V sont des matériaux réputés pour leurs très bonnes propriétés optiques, et sont donc utilisés dans une large gamme d’applications, allant des émetteurs lasers et des capteurs optiques, jusqu’aux cellules solaires photovoltaïques. Les auteurs de ce travail montrent non seulement que leur intégration sur substrat de silicium permet de réduire énormément les coûts de fabrication de ces matériaux, mais qu’elle leur confère en plus des propriétés physiques tout à fait remarquables et sans précédent. En particulier, ils démontrent la présence de singularités 2D à l’échelle atomique, avec un caractère semi-métallique dans le matériau, ce qui lui permet d’être à la fois photo-actif (absorption de la lumière et conversion en charges électriques), et métallique localement (transport des charges électriques très fortement anisotrope). Plus surprenant encore, le matériau peut conduire à la fois les charges positives et négatives (caractère ambipolaire), et les singularités ont des propriétés topologiques. Dans ce travail, une preuve de concept est présentée à travers la réalisation de plusieurs photo-électrodes III-V/Si pour la production d’hydrogène solaire, mais l’utilisation de ce matériau pourrait aussi être très intéressante pour de nombreuses autres applications dans le domaine de l’énergie (cellules solaires), des capteurs, de la photonique, de l’électronique, et du calcul quantique.

Contact :

Charles CORNET
charles.cornet@insa-rennes.fr
02 23 23 83 99

Cette étude est issue d’une collaboration entre l’Institut l’Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l'information (FOTON  - UMR 6082 CNRS, CNRS, Université de Rennes 1 et INSA Rennes), l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR - UMR CNRS 6226 - CNRS, Université de Rennes 1, INSA rennes et ENSCR),) et l’Institut de Physique de Rennes (IPR - UMR CNRS 6251 - CNRS et Université de Rennes 1). 

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