Des nanoparticules s’auto-assemblent pour collecter l’énergie solaire

La technologie solaire thermique est une méthode prometteuse de collecte d’énergie respectueuse de l’environnement qui pourrait contribuer à résoudre la crise énergétique liée aux combustibles fossiles.

Cette technologie transforme la lumière du soleil en énergie thermique, mais il est difficile de supprimer la dissipation d’énergie tout en maintenant une absorption élevée. Les collecteurs d’énergie solaire existants, qui reposent sur la micro- ou la nano-ingénierie, ne sont pas suffisamment évolutifs et flexibles. Il faudra donc trouver une nouvelle stratégie pour capturer la lumière solaire de manière performante tout en simplifiant la fabrication et en réduisant les coûts.

Dans APL Photonics, publié par AIP Publishing, des chercheurs de l’université de Harbin, de l’université de Zhejiang, de l’institut d’optique de Changchun et de l’université nationale de Singapour ont conçu un capteur solaire doté de capacités de conversion énergétique améliorées.

Le dispositif utilise un motif quasi-périodique à l’échelle nanométrique – ce qui signifie que la majeure partie de celui-ci est un motif alternatif et cohérent, tandis que la partie restante contient des défauts aléatoires (contrairement à une structure nanofabriquée) qui n’affectent pas ses performances. En fait, l’assouplissement des exigences strictes relatives à la périodicité de la structure augmente considérablement l’évolutivité du dispositif.

Le processus de fabrication fait appel à des nanoparticules auto-assemblées, qui forment une structure matérielle organisée en fonction de leurs interactions avec les particules voisines, sans aucune instruction externe.

L’énergie thermique captée par le dispositif peut être transformée en électricité grâce à des matériaux thermoélectriques.

« L’énergie solaire est transférée sous forme d’onde électromagnétique dans une large gamme de fréquences« , a déclaré l’auteur Ying Li de l’université de Zhejiang. « Un bon capteur solaire-thermique doit pouvoir absorber l’onde et devenir chaud, convertissant ainsi l’énergie solaire en énergie thermique. Ce processus nécessite une absorption élevée (100 % est parfait), et un capteur solaire doit également supprimer son rayonnement thermique pour préserver l’énergie thermique, ce qui nécessite une faible émissivité thermique (zéro signifie aucun rayonnement).« 

Pour atteindre ces objectifs, un moissonneur est généralement un système doté d’une structure nanophotonique périodique. Mais la flexibilité et l’évolutivité de ces modules peuvent être limitées en raison de la rigidité du motif et des coûts de fabrication élevés.

« Contrairement aux stratégies précédentes, notre structure nanophotonique quasi-périodique est auto-assemblée par des nanoparticules d’oxyde de fer (Fe3O4), plutôt que par une nanofabrication lourde et coûteuse« , a déclaré Li.

Leur structure nanophotonique quasi-périodique permet d’obtenir une absorption élevée (supérieure à 94 %), une émissivité thermique supprimée (inférieure à 0,2) et, sous un éclairage solaire naturel, l’absorbeur présente une augmentation rapide et importante de la température (supérieure à 80 degrés Celsius).

Sur la base de l’absorbeur, l’équipe a construit un capteur solaire thermoélectrique plan et flexible, qui a atteint une tension de maintien significative de plus de 20 millivolts par centimètre carré. Ils s’attendent à ce qu’il puisse alimenter 20 diodes électroluminescentes par mètre carré d’irradiation solaire. Cette stratégie peut servir les applications à faible densité de puissance pour une ingénierie plus flexible et évolutive de la récolte de l’énergie solaire.

« Nous espérons que notre structure nanophotonique quasi-périodique inspirera d’autres travaux« , a déclaré M. Li. Cette structure très polyvalente et notre recherche fondamentale peuvent être utilisées pour explorer la limite supérieure de la récolte de l’énergie solaire, comme des générateurs thermoélectriques solaires flexibles et évolutifs, qui peuvent servir de composant assistant de récolte solaire pour augmenter l’efficacité totale des architectures photovoltaïques.

Crédit/ Zifu Xu

L’article « Scalable selective absorber with quasi-periodic nanostructure for low-grade solar energy harvesting » est rédigé par Zifu Xu, Ying Li, Gang Gao, Fei Xie, Ran Ju, Shimin Yu, Kaipeng Liu, Jiaxin Li, Wuyi Wang, Wei Li, Tianlong Li et Cheng-Wei Qiu. Il paraîtra dans APL Photonics le 21 février 2023 (DOI : 10.1063/5.0135193). Après cette date, il pourra être consulté à l’adresse https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0135193.