Le Laboratoire de nanosciences et technologies énergétiques (LNET) de l'École d'ingénierie de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse a récemment développé un dispositif expérimental de production de nanoénergie capable de générer en continu un courant stable en utilisant le processus d'évaporation de l'eau de mer. Cet appareil utilise des semi-conducteurs en silicium comme noyau et permet une production d'énergie autonome en régulant le mouvement des ions et des électrons et en entraînant l'évaporation de l'eau de mer à l'aide de la lumière et de la chaleur. Les chercheurs affirment que ce mécanisme devrait ouvrir de nouvelles voies pour une technologie de récupération d’énergie respectueuse de l’environnement. Des résultats pertinents ont été publiés dans la revue Nature Communications.
Dans leur article, Giulia Tagliabue, chef de l'équipe de recherche, et Tarique Anwar, chercheur, ont proposé un « cadre physique et expérimental unifié » pour les systèmes hydrovoltaïques alimentés par l'évaporation. La clé réside dans la séparation et le contrôle précis du processus d’interface. Le processus d'interface fait ici référence à l'interaction entre différents états de phase tels que solide, liquide, gaz liquide, etc. L'équipe de recherche espère utiliser ce cadre pour convertir plus efficacement le processus d'évaporation en production d'énergie électrique avec la participation de la lumière du soleil et de l'énergie thermique.
Cette technologie s'appuie sur les recherches antérieures du LNET sur « l'effet hydrovoltaïque ». L'effet dit hydrovoltaïque signifie que lorsque le liquide traverse la surface de nanodispositifs chargés, il peut induire la génération d'énergie électrique. Le nouveau dispositif utilise en outre les minuscules espaces entre les nanopiliers de silicium disposés de manière hexagonale pour favoriser l'évaporation du liquide et guider le mouvement des ions dans l'eau de mer au cours du processus. Les chercheurs ont souligné que la chaleur et la lumière affecteront toujours les performances des dispositifs hydrovoltaïques, et leur avancée cette fois-ci consiste à convertir pour la première fois ces effets initialement inévitables en avantages en termes de performances, en utilisant de l'eau de mer inépuisable et relativement respectueuse de l'environnement comme moyen énergétique.
Une avancée conceptuelle importante dans la recherche a été la découverte par l’équipe que l’augmentation de la production d’électricité n’était pas simplement le résultat de l’évaporation elle-même. Étant donné que l'appareil utilise un matériau semi-conducteur en silicium, la chaleur augmente la charge négative à la surface du semi-conducteur, tandis que la lumière du soleil stimule l'activité électronique à l'intérieur de celle-ci. En d’autres termes, l’évaporation, les effets thermiques et les effets lumineux ne sont pas indépendants les uns des autres, mais forment un effet synergique dans le dispositif pour promouvoir conjointement l’amélioration de l’efficacité de la production d’électricité.
Selon l’équipe de recherche, le gain apporté par cet effet de charge de surface est assez important. En introduisant la lumière du soleil et la chaleur, la production d’énergie de l’appareil peut être multipliée par cinq. Tagliabue a déclaré que cet effet naturel a toujours existé, mais qu'ils sont les premiers chercheurs à l'exploiter réellement.
Du point de vue de la conception structurelle, ce dispositif de production d'énergie par évaporation adopte une architecture à trois couches, qui correspond à trois processus indépendants d'évaporation, de transport d'ions et de collecte de charges. La couche supérieure est la couche de surface d'évaporation, la couche intermédiaire est responsable de la conduction ionique et la couche inférieure est le réseau de nanopiliers de silicium diélectrique. Une telle conception en couches aide non seulement les chercheurs à analyser et à calibrer progressivement le processus et les résultats de chaque étape, mais améliore également les performances globales de production d'énergie du dispositif et révèle plus clairement comment la chaleur et la lumière induisent la génération de charges et favorisent la migration des ions.
Outre les capacités de production d’électricité, cette technologie offre également des avantages évidents en termes de durabilité. Les chercheurs ont souligné que la chaleur et la lumière peuvent provoquer une dégradation du mécanisme hydrovoltaïque et que les problèmes de corrosion dans les environnements riches en sel peuvent exacerber ce processus. Cependant, la surface des nanopiliers de silicium du dispositif est recouverte d'un revêtement d'oxyde qui reste stable à la lumière et à la chaleur, évitant ainsi les réactions chimiques inutiles et améliorant la fiabilité du dispositif dans les environnements d'eau de mer.
L'équipe de recherche a déclaré que si les itérations ultérieures se déroulent bien, ce type de dispositif hydrovoltaïque devrait fournir à l'avenir une alimentation continue et automatique à divers petits réseaux de capteurs sans batterie, tant que la lumière du soleil, la chaleur et l'eau sont disponibles pour fonctionner. Les scénarios d'application potentiels incluent les systèmes de surveillance environnementale, les appareils Internet des objets et les technologies portables actuelles et futures. Les chercheurs estiment que si un moyen mobile et presque « gratuit » d’obtenir de l’électricité pouvait être mis en pratique, la valeur sociale qu’il apporterait serait incommensurable.