Électrolyse de l’eau photovoltaïque atteignant 31,3 % d’efficacité de conversion solaire en H2 en conditions extérieures

Transformer la lumière du soleil en un carburant propre

L’hydrogène est souvent présenté comme un carburant propre d’avenir, mais le produire de manière compatible avec le climat reste un défi majeur. Cette étude décrit un dispositif compact qui utilise la lumière solaire concentrée pour scinder l’eau en hydrogène et oxygène avec une efficacité exceptionnellement élevée, et ce en extérieur dans des conditions réelles. Pour les lecteurs intéressés par les moyens de stocker l’énergie solaire pour la nuit, la transférer d’une saison à l’autre ou alimenter l’industrie lourde sans combustibles fossiles, ce travail offre un aperçu d’une voie pratique.

Pourquoi l’hydrogène produit à partir du soleil est important

L’énergie solaire et éolienne est bon marché et propre, mais elle n’est pas toujours disponible quand on en a besoin. L’hydrogène peut jouer le rôle d’une batterie énergétique flexible : il peut être stocké sur de longues périodes, transporté sur de grandes distances, puis reconverti en électricité, en chaleur ou utilisé comme matière première chimique. Le problème est que la majeure partie de l’hydrogène actuelle est produite à partir du gaz naturel, ce qui génère de fortes émissions de dioxyde de carbone. Scinder l’eau avec de l’électricité renouvelable évite ces émissions, mais les systèmes classiques gaspillent une grande partie de l’énergie solaire reçue. Pousser l’efficacité bien au-delà de 15 % est considéré comme une étape clé pour rendre l’hydrogène solaire abordable à grande échelle.

Une machine compacte transformant le soleil en hydrogène

Les chercheurs ont construit un module prototype, nommé HyCon, qui couple étroitement deux technologies matures : des cellules solaires haute performance et des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM). Un ensemble de quatre petites lentilles de Fresnel concentre le rayonnement solaire direct environ 200 fois sur quatre cellules solaires avancées « à quatre jonctions » montées sur une plaque en cuivre. Ces cellules empilent plusieurs couches absorbant la lumière afin de récolter une large gamme de longueurs d’onde et de générer une tension supérieure à 4 volts. À l’arrière de la même plaque, deux cellules d’électrolyse PEM sont reliées directement en série aux cellules solaires. Lorsque la lumière concentrée frappe les cellules, elles alimentent les électrolyseurs sans électronique de puissance intermédiaire, scindant l’eau désionisée en deux flux distincts d’hydrogène et d’oxygène.

Comment le design extrait une efficacité élevée

Pour atteindre une conversion élevée, les cellules solaires et les électrolyseurs doivent fonctionner dans une zone optimale où la production électrique des cellules correspond étroitement à la demande de la réaction de séparation de l’eau. L’équipe a soigneusement choisi de connecter quatre cellules solaires en parallèle et deux cellules d’électrolyse en série de sorte que leurs courbes courant–tension se croisent juste en dessous du point de puissance maximale des cellules solaires. Ils ont également caractérisé comment des facteurs réels, comme les variations d’intensité lumineuse et la température de l’eau, décalent ce point de fonctionnement au cours de la journée. Une eau plus chaude réduit la tension nécessaire à l’électrolyse, aussi les chercheurs ont préchauffé l’eau d’entrée à environ 60 degrés Celsius et conçu le module pour que la chaleur résiduelle des cellules solaires puisse, dans de futures versions, maintenir les électrolyseurs au chaud. Cette stratégie aide le système à conserver une efficacité élevée malgré la variabilité du soleil et du temps.

Performance record en extérieur sur le terrain

Le module HyCon a été testé pendant 13 journées d’été sur un suiveur solaire à double axe à Fribourg, en Allemagne, qui maintenait les lentilles dirigées directement vers le soleil. Sous un fort ensoleillement direct, le dispositif a converti jusqu’à 31,3 % de l’énergie solaire incidente en énergie chimique stockée dans l’hydrogène, mesurée par le pouvoir calorifique supérieur du gaz. À ce pic, l’assemblage de cellules solaires fonctionnait à environ 35 % d’efficacité et la pile d’électrolyse à un peu plus de 91 %. Sur une journée ensoleillée complète, le module a atteint près de 29 % d’efficacité moyenne et produit plus de 60 grammes d’hydrogène par mètre carré de surface de lentille, sans montrer de dégradation mesurable des performances. Comparé à d’autres systèmes d’électrolyse alimentés par le solaire, la combinaison de cellules multi-jonctions à concentration et d’électrolyseurs PEM directement couplés a fourni la plus haute efficacité rapportée dans des conditions extérieures réelles.

Ce que cela signifie pour l’avenir de l’énergie verte

L’étude suggère que le couplage direct de cellules solaires concentratrices multicouches à des électrolyseurs PEM compacts peut former des blocs de construction très efficaces pour la production d’hydrogène solaire, en particulier dans les régions ensoleillées et arides riches en rayonnement direct. Parce que l’approche HyCon évite l’électronique de puissance supplémentaire, exploite efficacement à la fois la lumière et la chaleur, et peut être mise à l’échelle en répétant le module, elle pourrait contribuer à réduire le coût de l’hydrogène vert vers des niveaux compétitifs avec l’hydrogène d’origine fossile. Bien que des améliorations supplémentaires en gestion thermique, en conception de cellules solaires et en déploiement à grande échelle soient encore nécessaires, ce travail montre que transformer la lumière du soleil en carburant propre stockable à très haute efficacité n’est pas seulement une curiosité de laboratoire mais une option réaliste en conditions extérieures réelles.

Citation: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

Mots-clés: hydrogène solaire, électrolyse de l’eau, photovoltaïque à concentration, stockage d’énergie renouvelable, hydrogène vert