La lumière du soleil est une source d’énergie inépuisable, et l’utilisation de l’énergie solaire pour produire de l’électricité est l’un des piliers des énergies renouvelables. Plus de 40 % de la lumière solaire qui atteint la Terre se situe dans les spectres infrarouge, visible et ultraviolet ; cependant, la technologie solaire actuelle exploite principalement les rayons visibles et ultraviolets.
La technologie permettant d’utiliser l’ensemble du spectre solaire, appelée utilisation de l’énergie solaire totale, en est encore à ses débuts.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Hokkaido, dirigée par le professeur adjoint Melbert Jeem et le professeur Seiichi Watanabe de la Faculté d’ingénierie, a synthétisé des matériaux à base d’acide tungstique dopés au cuivre qui ont montré une utilisation de l’énergie solaire totale.
« Actuellement, les spectres infrarouge proche et moyen du rayonnement solaire, allant de 800 nm à 2500 nm, ne sont pas utilisés pour la production d’énergie », explique Melbert Jeem. « L’acide tungstique est un candidat pour développer des nanomatériaux capables d’utiliser potentiellement ce spectre, car il possède une structure cristalline avec des défauts qui absorbent ces longueurs d’onde. »
La technique de photo-fabrication et ses résultats
L’équipe a utilisé une technique de photo-fabrication qu’elle avait précédemment développée, la synthèse photo-submergée de cristallites, pour synthétiser des nanocristaux d’acide tungstique dopés avec différentes concentrations de cuivre. Les structures et les propriétés d’absorption de la lumière de ces nanocristaux ont été analysées ; leurs caractéristiques photothermiques, d’évaporation assistée par la lumière et photo-électrochimiques ont été mesurées.
Les nanocristaux d’oxyde de tungstène dopés au cuivre absorbent la lumière dans tout le spectre, de l’ultraviolet à la lumière visible en passant par l’infrarouge ; la quantité de lumière infrarouge absorbée était la plus importante avec un dopage au cuivre de 1 %.
Les nanocristaux dopés à 1 % et 5 % de cuivre présentaient la plus forte élévation de température (caractéristique photothermique) ; les cristaux dopés à 1 % de cuivre présentaient également la plus grande efficacité d’évaporation de l’eau, soit environ 1,0 kg par m2 et par heure.
Impact du dopage au cuivre sur la structure des nanocristaux
L’analyse structurale des nanocristaux dopés à 1 % de cuivre a montré que les ions cuivre pourraient déformer la structure cristalline de l’oxyde de tungstène, entraînant les caractéristiques observées lors de l’absorption de la lumière.
« Nos découvertes marquent une avancée significative dans la conception de nanocristallites capables de synthétiser et d’exploiter l’énergie solaire totale », conclut Seiichi Watanabe. « Nous avons démontré que le dopage au cuivre confère à l’acide tungstique nanocristallin une variété de caractéristiques grâce à l’utilisation de l’énergie solaire totale. Cela fournit un cadre pour de nouvelles recherches dans ce domaine ainsi que pour le développement d’applications. »
En synthèse
Le dopage systématique au cuivre dans les nanocristaux d’acide tungstique permet d’améliorer l’utilisation de l’énergie solaire totale, ouvrant la voie à de nouvelles recherches et applications dans le domaine des énergies renouvelables. Cette avancée pourrait contribuer à une meilleure exploitation du spectre solaire pour la production d’énergie.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’utilisation de l’énergie solaire totale ?
L’utilisation de l’énergie solaire totale fait référence à la capacité d’exploiter l’ensemble du spectre solaire, y compris les rayons infrarouges, visibles et ultraviolets, pour produire de l’énergie.
Quel est le rôle du cuivre dans cette recherche ?
Le cuivre est utilisé pour doper les nanocristaux d’acide tungstique, ce qui permet d’améliorer leur capacité à absorber la lumière solaire dans tout le spectre et à convertir cette énergie en électricité.
Quelle est la technique de photo-fabrication utilisée par les chercheurs ?
La technique de photo-fabrication utilisée est la synthèse photo-submergée de cristallites, qui permet de synthétiser des nanocristaux d’acide tungstique dopés avec différentes concentrations de cuivre.
Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?
Cette découverte pourrait mener à de nouvelles recherches et applications dans le domaine des énergies renouvelables, en améliorant l’efficacité des technologies solaires pour exploiter l’énergie solaire totale.
Légende illustration principale : (Gauche) Un nanocristal d’acide tungstique dopé au cuivre ; (droite) Image à résolution atomique du nanocristal. (Photos : Melbert Jeem)
Melbert Jeem, et al. « Defect driven opto-critical phases tuned for all-solar utilization ». Advanced Materials. July 29, 2023. DOI: 10.1002/adma.202305494
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