En 2024, une équipe de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne a présenté une plateforme destinée à étudier l’effet hydrovoltaïque (HV) phénomène qui permet de produire de l’électricité lorsqu’un fluide circule sur une  surface chargée d’un nano-dispositif. Développée par le Laboratoire de Nanosciences pour les  Technologies Energétiques (LNET), de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur, la plateforme consistait en un réseau hexagonal de nan-opiliers en silicium, dont les espaces interstitiels formaient des canaux pour l’évaporation d’échantillons de fluides.

L’équipe du LNET a transformé la plateforme en un système hydro-voltaïque dont la puissance égale ou dépasse celle de technologies similaires . Le système présente un avantage majeur. Au lieu d’utiliser la chaleur et la lumière pour accélérer l’évaporation, le système génère du courant et exploite la chaleur et la lumière pour contrôler le mouvement des ions dans l’eau salée en cours d’évaporation et le flux d’électrons dans le nano-dispositif 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.

Le système comporte trois couches :une couche dédiée à l’évaporation, une dédiée au transport des ions et une couche pour la collecte de charges électriques. Les résultats ont été publiés dans Nature Communications.

Exploiter un effet naturel

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. Les études se sont concentrées sur cet effet pour produire de l’énergie hydro-voltaïque. Mais les chercheurs et chercheuses de l’école suisse ont constaté que l’augmentation de la production d’énergie observée ne provient pas uniquement de l’évaporation.

Dans le nano-dispositif constitué d’un semi-conducteur en silicium, les électrons sont excités par les photons de la lumière solaire. 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 nano-dispositif provoque un déplacement des ions, créant une séparation entre charges positives et négatives. Cette séparation des charges 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.

Une énergie continue et autonome

En plus d’une tension et d’une densité de puissance élevées (respectivement 1 V et 0,25 W/m²), le 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 permis de développer un modèle pour expliquer ses observations et d’optimiser la puissance produite en ajustant la structure des nano-piliers 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 hydro-voltaïques, 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.