ENGINEERINGNET.BE - En 2024, une équipe de l’EPFL a présenté une plateforme destinée à étudier l’effet hydrovoltaïque (HV) – un phénomène qui permet de produire de l’électricité lorsqu’un fluide circule sur la surface chargée d’un nanodispositif.
Développée par le Laboratoire de nanosciences pour les technologies énergétiques (LNET), de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur, la plateforme consistait en un réseau hexagonal de nanopiliers en silicium, dont les espaces interstitiels formaient des canaux pour l’évaporation d’échantillons de fluides.
L’équipe du LNET, dirigée par Giulia Tagliabue, a désormais transformé cette plateforme en un système hydrovoltaïque dont la puissance égale ou dépasse celle de technologies similaires – avec un avantage majeur.
Au lieu d’utiliser la chaleur et la lumière uniquement pour accélérer l’évaporation, le système de l’EPFL génère du courant en exploitant la chaleur et la lumière pour contrôler le mouvement des ions dans l’eau salée en cours d’évaporation, ainsi que le flux d’électrons dans le nanodispositif en silicium.
« Les déséquilibres thermiques et lumineux auront toujours une incidence sur le dispositif hydrovoltaïque, mais nous avons découvert comment les exploiter à notre avantage », explique Tarique Anwar, chercheur au LNET.
Avec trois couches distinctes dédiées à l’évaporation, au transport des ions et à la collecte de charges électriques, la conception découplée du nanodispositif permet aux scientifiques d’observer et d’ajuster finement chaque étape du processus. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.
En général, lorsque l’on pense aux effets de la chaleur et de la lumière sur l’évaporation, on comprend que l’énergie thermique accélère la transformation de l’eau en vapeur.
De précédentes études se sont concentrées sur cet effet pour produire de l’énergie hydrovoltaïque, mais les chercheurs et chercheuses de l’EPFL ont constaté que l’augmentation de la production d’énergie observée ne provenait pas uniquement de l’évaporation.
Comme leur nanodispositif est constitué d’un semi-conducteur en silicium, les électrons qu’il contient sont excités par les photons de la lumière solaire, tandis que la chaleur renforce les charges négatives à sa surface.
En parallèle, l’évaporation induite par la chaleur dans une couche d’eau salée située au-dessus du nanodispositif provoque un déplacement des ions, créant une séparation entre les charges positives et négatives.
Cette séparation des charges à l’interface liquide-solide génère un champ électrique qui entraîne les électrons excités à travers un circuit connecté, produisant ainsi de l’électricité.
« Nos travaux montrent que l’effet de charge de surface, combiné à la lumière solaire et à la chaleur, peut multiplier par cinq la production d’énergie. Cet phénomène naturel a toujours existé, mais nous sommes les premiers à l’exploiter », déclare Giulia Tagliabue.
Les scientifiques soulignent qu’en plus d’une tension et d’une densité de puissance élevées (respectivement 1 V et 0,25 W/m²), leur système offre un avantage pour la production continue et autonome d’électricité.
« Dans les dispositifs HV, l’amélioration des performances par l’apport de chaleur et de lumière entraîne une dégradation des matériaux au fil du temps, en particulier en conditions d’eau salée. En revanche, les nanopiliers de notre dispositif sont recouverts d’une couche d’oxyde garantissant des performances stables sous l’effet de la chaleur et de la lumière, et protégeant contre des réactions chimiques indésirables », explique la professeure.
La séparation du dispositif en trois couches a également permis à l’équipe de développer un modèle pour expliquer ses observations et d’optimiser la puissance produite en ajustant la structure des nanopiliers et la concentration en sel.
L’équipe développe désormais des outils pour étudier ces phénomènes en temps réel, tout en expérimentant différents apports de chaleur et de lumière à l’aide d’un simulateur solaire.
Cette innovation pourrait accélérer le développement de dispositifs hydrovoltaïques, qui présentent un fort potentiel pour alimenter de petits réseaux de capteurs sans batterie partout où l’eau, la chaleur et la lumière du soleil sont disponibles.
Parmi les applications possibles figurent les systèmes autonomes de surveillance environnementale, les dispositifs portables et les applications de l’internet des objets. (Auteur: Celia Luterbacher - Source: EPFL)
Sur l'illustration en haut: schéma du dispositif hydrovoltaïque avec une surface d'électrode évaporante supérieure et un réseau inférieur de nanopiliers de silicium immergés dans l'eau.
