La conversion ascendante de photons pourrait élargir le potentiel de l’hydrogène solaire

Lorsqu’il s’agit de convertir la lumière du soleil en énergie utile, de nombreux efforts ont été concentrés sur les photovoltaïques, car il s’agit d’une méthode capable de transformer une grande partie de l’énergie solaire en électricité.

Cependant, cela ne signifie pas que c’est l’option la plus efficace pour toutes les applications. Par exemple, si l’objectif est de produire de l’hydrogène vert, cela crée un processus en plusieurs étapes où l’efficacité est perdue à chaque étape: lumière du soleil -> énergie -> transmission -> électrolyse -> hydrogène.

C’est pourquoi différentes approches ont été étudiées, notamment l’utilisation directe de la lumière du soleil pour convertir l’eau en hydrogène, un processus connu sous le nom de photocatalyse.

Le problème est que même avec les bons catalyseurs, la majeure partie de la lumière solaire se situe dans les gammes visible et infrarouge, qui ne sont tout simplement pas suffisamment énergétiques pour scinder les molécules d’eau en hydrogène. Ainsi, même avec silicon carbide boosting photocatalysis efficiency, ce n’est toujours pas idéal. En grande partie, seule la partie ultraviolet (UV) du spectre lumineux est suffisamment puissante.

C’est pourquoi la découverte réalisée par des chercheurs japonais de l’Université de Kyushu et de l’Institut des Sciences Moléculaires, SOKENDAI, selon laquelle une nouvelle méthode à l’état solide pourrait être utilisée pour augmenter les niveaux d’énergie des photons, pourrait changer la donne pour la production future d’hydrogène vert. Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Nature Communications¹, sous le titre « Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion ».

De la lumière visible aux UV

La photocatalyse de l’eau en hydrogène pourrait augmenter radicalement la production d’énergie verte. En effet, l’hydrogène vert est l’élément clé manquant pour stocker l’énergie pendant des semaines et des mois de faible ensoleillement ou d’absence de vent, et constitue également le carburant idéal pour décarboniser des secteurs comme le transport maritime et l’aviation, soit directement, soit via la production d’ammoniac et de carburant artificiel. Mais malheureusement, seul le UV est suffisamment puissant pour réaliser la photocatalyse.

« Bien que les photocatalyseurs inorganiques utilisant la lumière ultraviolette (UV) aient atteint une division de l’eau photocatalytique à haute efficacité, ils souffrent de la faible proportion d’UV dans la lumière solaire (environ 3 % pour la gamme 300–400 nm). »

Mais l’alternative pourrait ne pas être un meilleur catalyseur, mais la conversion de la lumière visible, beaucoup plus abondante, en UV, ou « conversion ascendante de photons ».

Les chercheurs se sont concentrés sur un processus appelé triplet–triplet annihilation-based photon upconversion (TTA-UC). Dans son explication la plus simple, cela fusionne deux photons de basse énergie en un seul photon de haute énergie en les faisant absorber par une molécule accepteur avant d’être réémis.

Optimisation de la stabilité de la conversion ascendante de photons

Du liquide aux cristaux

Jusqu’à présent, les méthodes de conversion ascendante utilisant des molécules telles que 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) et 2,5-diphenyloxazole (PPO) offrent de bons rendements quantiques (ΦUC), mais la volatilité du solvant constitue une limitation critique pour les applications d’appareils et l’utilisation à long terme.

Une solution pratique consiste plutôt à disposer de matériaux stables pouvant être déployés à grande échelle, avec peu ou pas d’entretien, afin que d’énormes champs de convertisseurs photocatalytiques puissent être mis en place pour produire massivement de l’hydrogène vert.

Dans les cristaux et les accepteurs solides, un phénomène appelé « extinction du singulet » peut réduire le rendement quantique.

Les chercheurs ont utilisé la substitution par des chaînes alkyles (ajout de chaînes carbonées plus longues) dans les molécules organiques utilisées comme accepteurs afin d’augmenter la stabilité et de réduire les occurrences de singlet quenching.

Mesure des performances des cristaux

Les chercheurs ont utilisé une molécule appelée DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) avec un rendement quantique presque parfait de 96 % sous forme liquide (solution). Mais ce rendement chute fortement lorsqu’il est sous forme cristalline.

Lorsqu’on ajoute les chaînes carbonées supplémentaires à la molécule, la forme cristalline du DHI peut atteindre des rendements quantiques aussi élevés que 64 %–69 %. Ces résultats élevés indiquent que les molécules donneuses sont uniformément dispersées au sein du cristal accepteur, permettant une sensibilisation efficace des triplets.

Le matériau pourrait également être produit avec des techniques simples de formation de films, telles que le coulage à température ambiante et le spin-coating, sans nécessiter de traitement thermique spécial, ce qui le rend plus susceptible d’être pertinent pour toute future application industrielle à grande échelle.

Le processus est également tolérant à l’oxygène et même le nécessite, ce qui signifie qu’il n’a pas besoin de se dérouler dans un environnement scellé et sans oxygène, un autre élément important à atteindre pour les applications commerciales.

« TTA-UC s’active lorsque l’oxygène du système est consommé par conversion en oxygène singulet. Le film iBu-DHI/Ir(ppy)3 a montré une conversion ascendante dans l’air même sous une irradiation intense (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) pendant plus d’une heure. »

Les performances des cristaux dépendent généralement de la structure microscopique au niveau atomique. Ainsi, les chercheurs ont d’abord effectué des calculs théoriques pour déterminer la structure probable de ces cristaux.

Ils ont ensuite testé le cristal avec la cristallographie aux rayons X et ont constaté que les motifs de diffraction des cristaux uniques et ceux des films spin-coatés étaient similaires, démontrant pourquoi cette méthode fonctionnait.

Cela ne signifie pas que les cristaux ne pourraient pas être optimisés davantage, un rendement encore plus élevé étant théoriquement possible avec une méthode plus précise pour contrôler la création des cristaux individuels et leur organisation en couche mince.

« Les performances du présent système solide Vis-to-UV TTA-UC pourraient être encore améliorées en optimisant la structure moléculaire du donneur et en employant un processus de cristallisation contrôlé. »

Applications futures

Actuellement, la production d’hydrogène est dominée par l’« hydrogène gris » produit à partir de combustibles fossiles, et une petite mais croissante partie est issue d’énergie renouvelable, ou « hydrogène vert », qui peine encore à être économiquement compétitif par rapport aux autres carburants.

En fin de compte, capter directement la lumière du soleil et l’utiliser pour produire de l’hydrogène, sans transmission massive d’électricité, batteries, câbles et électrocatalyseurs, pourrait réduire considérablement le coût total d’une telle installation. L’absence d’étapes intermédiaires améliorerait également l’efficacité énergétique globale de la production d’hydrogène vert, un problème sérieux avec les méthodes utilisant l’électrocatalyse.

« Le principe de conception des chromophores DHI protégés par π développé dans cette étude sera largement étendu à divers chromophores. Il permet d’excellentes propriétés TTA-UC dans des films minces préparés par des méthodes simples de spin-coating et de drop-casting, ouvrant la voie à de vastes applications et promettant de révolutionner la chimie photofonctionnelle impliquant des triplets excités. »

De tels matériaux solides novateurs avec une bonne stabilité pourraient rendre commercialement viables les matériaux photoniques de prochaine génération en convertissant des photons abondants à faible intensité en photons UV à haute intensité générant de l’hydrogène.

Investir dans l’énergie solaire avancée

First Solar

Actuellement, la plupart des panneaux photovoltaïques du monde sont produits en Chine, grâce à l’écosystème étendu du pays dans la production de polysilicium et la fabrication de cellules solaires.

Cependant, d’autres technologies que les cellules solaires à base de silicium existent, et l’un des survivants de l’industrie solaire en Occident, First Solar (FSLR ), est leader dans ce domaine, utilisant des cellules solaires au tellurure de cadmium. Elles sont à la fois plus faciles à produire (technologie à couche mince) et offrent une efficacité supérieure aux cellules à base de silicium, bien que le coût de leur matière première soit plus élevé.

Ce type de cellule est également plus durable, ce qui peut modifier l’équation tant pour les propriétaires que pour les compagnies d’électricité lors du calcul du coût de vie d’une cellule solaire et de sa dépréciation. Cela est particulièrement vrai alors que les progrès rapides du rendement des cellules solaires et la baisse des coûts ont ralenti ces dernières années.

Comme la production de cellules au tellurure de cadmium est un processus de fabrication largement automatisé, elle est relativement moins sensible aux différences de coûts de main-d’œuvre. Cela peut rendre sa production dans les pays occidentaux beaucoup plus compétitive, surtout lorsqu’elle est vendue localement, et cela élimine les coûts d’expédition de l’équation.

Au lieu de multiples usines, chaque acteur étant spécialisé dans un segment comme la purification du polysilicium, et avec de nombreux jours nécessaires à la production d’une cellule solaire, First Solar peut passer des matières premières au produit fini en moins de 4 heures.

À long terme, First Solar prévoit de pouvoir recycler entièrement le tellurure de cadmium des anciennes cellules, ainsi que 90 % du total des cellules solaires. Les 5 à 10 % restants des déchets de modules recyclés sont principalement composés de fines particules de verre, qui sont capturées par des systèmes de contrôle de la poussière et des systèmes de filtration d’air à haute efficacité (HEPA).

Cela pourrait réduire les coûts des matériaux, éliminer le coût écologique de l’extraction des ressources et supprimer tout risque de pollution.

« Avec chaque module vendu, nous vendons également le service de récupération des modules en fin de vie et de leur recyclage. C’était essentiellement 8 ans avant l’arrivée de la réglementation en Europe. Nous disposons maintenant de la directive sur les déchets électroniques où le PV en fait partie. »Andreas Wade – Directeur mondial de la durabilité chez First Solar Future Techs

En plus du tellurure de cadmium, First Solar explore également des technologies de cellules solaires encore plus avancées, comme les cellules à pérovskite et les cellules hybrides tellurure de cadmium-pérovskite, qui pourraient offrir une efficacité supérieure et une durabilité accrue.

À long terme, l’expérience de First Solar dans la production de panneaux photovoltaïques à couche mince pourrait également être appliquée aux cellules photocatalytiques pour la production d’hydrogène.

Dans l’ensemble, First Solar est une excellente action pour les investisseurs souhaitant profiter du boom de l’énergie solaire en se concentrant sur les producteurs occidentaux, plutôt que sur les producteurs chinois, plus sensibles sur le plan géopolitique.

(Vous pouvez en savoir plus sur First Solar dans notre rapport d’investissement dédié à l’entreprise et sur l’énergie solaire dans notre rapport « The Solar Age – A Bright Future To Mankind»)

Dernières nouvelles et développements des actions First Solar (FSLR)

Étude référencée

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Systèmes π-électroniques protégés stériquement pour une conversion ascendante de photons à l’état solide efficace. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}