L’énergie du futur : le stockage solaire amélioré grâce au nitrure de carbone 2D

À la croisée des chemins entre l’innovation scientifique et l’impératif environnemental, nous explorons une réalisation conjointe de l’Université de Cordoue et du Max Planck Institute for Solid State Research en Allemagne. Ils travaillent sur le design d’une batterie solaire innovante, fabriquée à partir d’un matériau abondant, non toxique et facilement synthétisé : le nitrure de carbone 2D.

Le monde connaît un essor rapide de l’énergie solaire. L’optimisation de la technologie solaire pour maximiser la capture de la lumière, sa conversion en énergie et sa mise à disposition pour répondre aux besoins énergétiques est essentielle dans la transition écologique vers une utilisation plus durable des sources d’énergie.

Dans le processus allant de la collecte de la lumière par le panneau solaire à l’utilisation à la demande de l’énergie par, par exemple, les appareils ménagers, le stockage joue un rôle crucial. L’énergie solaire est en effet intrinsèquement intermittente. Pour faciliter ce processus de stockage et répondre à des problèmes tels que l’impact environnemental de l’extraction, du recyclage ou de la rareté de certains matériaux nécessaires aux batteries conventionnelles (comme le lithium), le concept de ‘batterie solaire‘ est né.

Les batteries solaires combinent les cellules solaires qui capturent la lumière et le stockage de son énergie en un seul dispositif, permettant ainsi l’utilisation de l’énergie quand cela est nécessaire.

L’étude sur le nitrure de carbone 2D

Alberto Jiménez-Solano, chercheur au département de physique de l’Université de Cordoue, en collaboration avec une équipe du Max Planck Institute for Solid State Research (Stuttgart, Allemagne), a mené une étude où il a exploré les caractéristiques de conception d’une batterie solaire fabriquée à partir d’un matériau à base de nitrure de carbone 2D.

« Dans le groupe du Professeur Bettina V. Lotsch, à l’Institut Max Planck, ils avaient réussi à synthétiser un matériau capable d’absorber la lumière et de stocker cette énergie pour une utilisation ultérieure à la demande », explique Alberto Jiménez-Solano, « et l’idée nous est venue de l’utiliser pour créer une batterie solaire.

Pour ce faire, l’équipe a d’abord dû trouver un moyen de déposer une fine couche de ce matériau (carbonitrure de potassium 2D, poly(heptazine imide), K-PHI) pour créer une structure stable permettant de commencer la fabrication d’un dispositif photovoltaïque, ce matériau se trouvant généralement sous forme de poudre ou en suspensions aqueuses de nanoparticules.

Performance et fonctionnement du dispositif

Grâce à ce travail préliminaire, ils ont pu présenter ce design de batterie solaire où, en combinant des simulations optiques et des expériences photo-électrochimiques, ils sont en mesure d’expliquer les caractéristiques de la haute performance de ce dispositif lors de la capture de la lumière du soleil et du stockage de l’énergie.

La structure physique du dispositif consiste en « un verre à haute transparence, qui possède un revêtement conducteur transparent (pour permettre le transport de charge), et une série de couches de matériaux semi-transparents (avec différentes fonctionnalités), et un autre verre conducteur qui ferme le circuit », décrit le chercheur. Il s’agit essentiellement d’une sorte de sandwich composé de différentes couches dont les épaisseurs ont été étudiées pour maximiser à la fois le niveau d’absorption de la lumière et le stockage.

En synthèse

Ce projet démontre les performances de ce dispositif, fabriqué à partir d’un matériau inoffensif, abondant et respectueux de l’environnement (extrait de l’urée), facile à synthétiser. Les prochaines étapes comprennent l’étude de son fonctionnement dans diverses situations en dehors du laboratoire, et son adaptation à différentes possibilités de fabrication et besoins.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie solaire ?

Une batterie solaire est un dispositif qui combine la capture de la lumière par des cellules solaires et le stockage de cette énergie, permettant ainsi son utilisation quand cela est nécessaire.

Qu’est-ce que le nitrure de carbone 2D ?

Le nitrure de carbone 2D est un matériau qui a la capacité d’absorber la lumière et de stocker cette énergie pour une utilisation ultérieure à la demande.

Pourquoi cette nouvelle batterie solaire est-elle importante ?

Cette batterie solaire innovante est fabriquée à partir d’un matériau abondant, non toxique et facilement synthétisé. Cela peut aider à surmonter les problèmes liés à l’impact environnemental de l’extraction, du recyclage ou de la rareté de certains matériaux nécessaires aux batteries conventionnelles.

Référence : Gouder, Andreas & Yao, Liang & Wang, Yang & Podjaski, Filip & Rabinovich, Ksenia & Jiménez-Solano, Alberto & Lotsch, Bettina. (2023). « Bridging the Gap between Solar Cells and Batteries: Optical Design of Bifunctional Solar Batteries Based on 2D Carbon Nitrides » ou « Combler le fossé entre les cellules solaires et les batteries : Conception optique de batteries solaires bifonctionnelles basées sur des nitrures de carbone 2D. » Advanced Energy Materials. 13. 10.1002/aenm.202300245