Le soleil libère en une heure l’équivalent de l’énergie mondiale consommée en un an. Le sujet de ce cours est d’étudier comment utiliser cette énergie solaire, source inépuisable d’énergie et l’eau, ressource la plus abondante sur la planète, pour répondre à la demande énergétique mondiale, qui est d’installer 28 TW vers 2050.

L’idée est ici de convertir l’énergie solaire en hydrogène, vecteur d’énergie, par photo-électrolyse de l’eau, via des cellules sans fil.
L’énergie du spectre solaire du visible de 3,1 à 1,8 eV permet de réaliser l’électrolyse de l’eau avec des jonctions semi-conductrices tout en tenant compte des surtensions des couples redox de l’eau.

Les semi-conducteurs sont TiO₂ ou Fe₂O₃ dopés. La photoanode est de type N et la photocathode de type P. La modification nécessaire du gap dépend de l’électronégativité, des angles de liaison dans les perovskites distordues et des substituants engagés. Si les mécanismes restent compliqués, les études expérimentales sont très développées.

Des avancées technologiques sont ensuite présentées. Par exemple les électrocatalyseurs minéraux, à base de cobalt, ou organiques, à base de pyridine, diminuent considérablement les surtensions. La photosynthèse est analysée et des photo-médiateurs essaient de la mimer. Des associations de conducteurs permettent d’utiliser deux photons d’un coup ! L’ensemble nécessite la mise au point de membranes conductrices à la fois des protons et des électrons, car la cellule de conversion est sans fil.

Une conclusion donne les ordres de grandeur des quantités d’eau qu’il faudrait convertir pour répondre à la demande énergétique actuelle. La réponse est encourageante, malgré le faible rendement de la photo électrolyse, compte tenu du caractère inépuisable de l’énergie solaire et de l’abondance de l’eau sur la Terre.