L'énergie solaire et renouvelable devient chaude, grâce aux nanoscientifiques - ceux qui travaillent avec des matériaux plus petits que la largeur d'un cheveu humain - du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) qui ont découvert de nouveaux, des moyens meilleurs et plus rapides de convertir l'énergie de la lumière en électrons énergétiques. Leurs méthodes innovantes pourraient offrir de nouvelles opportunités et une plus grande efficacité pour les applications de conversion de l'énergie solaire.

Les scientifiques d'Argonne et leurs collaborateurs ont créé des nanomatériaux hybrides - mesurés en milliardièmes de mètre - au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) du laboratoire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour exploiter toute l'énergie des photons.

Le résultat était énergique, ou "chaud, " électrons, qui transportent la même quantité d'énergie qu'un photon qui frappe des composants de nanomatériaux. Ces petites dynamos pourraient éventuellement conduire à de grandes avancées dans la séparation photocatalytique de l'eau - dans laquelle des matériaux spéciaux convertissent l'énergie solaire en carburant hydrogène propre et renouvelable - et dans le photovoltaïque, qui convertissent l'énergie solaire en électricité.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur les métaux et les nanostructures métalliques car ils absorbent beaucoup de lumière, qui est la première étape pour augmenter le nombre d'électrons énergétiques dans un matériau illuminé.

"Vous voulez conserver au maximum toute cette énergie dans le photon, nous nous concentrons donc sur le type de nanostructure dont vous avez besoin pour en fabriquer beaucoup, " a déclaré Gary Wiederrecht, co-auteur et scientifique senior et chef de groupe du groupe Nanophotonique et structures biofonctionnelles au CNM d'Argonne. « Dans les particules plus grosses, vous voyez très peu de ces électrons énergétiques avec des énergies proches de l'énergie des photons. Vous avez donc besoin d'une particule plus petite."

Les chercheurs ont simulé le matériau pour déterminer la géométrie structurelle et les conditions spectrales qui créeraient le plus grand nombre d'électrons chauds. La combinaison gagnante :des nanocubes d'argent et des films d'or séparés par des espaceurs en oxyde d'aluminium. Le couplage entre les nanocubes d'argent et le film d'or à travers la couche d'espacement produit une grande amélioration locale de l'intensité lumineuse. Cette, à son tour, permet à la nanostructure gagnante de produire des électrons chauds mieux que ses concurrents.

"L'une des avancées clés est notre capacité à produire des électrons énergétiques sur une très large gamme spectrale - de l'ultraviolet au visible et au proche infrarouge, ", a déclaré Wiederrecht. Les processus de conversion de la lumière du soleil en électrons énergétiques fonctionnent généralement dans des bandes de longueur d'onde plus petites. "C'est moins utile pour les opportunités d'énergie solaire que si vous pouviez créer des électrons chauds sur une gamme spectrale beaucoup plus large, " il a dit.

Le défi de l'équipe :Dans la plupart des métaux, l'énergie ne peut pas passer d'un niveau à un autre pour créer des électrons de haute énergie.

"Vous devez changer la direction du mouvement des électrons ou changer leur élan pour permettre ces transitions, " a déclaré Matthew Sykes, co-auteur et post-doctorant au CNM d'Argonne.

L'équipe a recueilli des données à l'aide d'un instrument de pointe :le spectromètre d'absorption transitoire du CNM. Avec ça, l'équipe a mesuré le taux de variation de la concentration des électrons chauds et déterminé comment et quand ils perdent de l'énergie. Les données qu'ils ont collectées pourraient permettre aux chercheurs de découvrir des indices sur la façon de contrer la perte ou de trouver un moyen d'extraire les électrons chauds avant qu'ils ne perdent de l'énergie. Les données ont également révélé des populations distinctes d'électrons chauds.

« On voit plusieurs, des taux de décroissance distincts qui sont indépendants de la longueur d'onde et de la géométrie, " a déclaré Sykes. Le nanomatériau contient différentes bandes d'énergie affectant le taux de désintégration des électrons chauds voyageant dans ces bandes. La recherche a en outre révélé que les nanomatériaux permettent aux différents types d'électrons chauds de se déplacer dans certaines directions.

"Nous pensons que ces différentes populations d'électrons présentent des durées de vie différentes, selon la direction dans laquelle ils se déplacent dans le matériau, " Sykes a expliqué. " Pensez-y comme conduire une voiture très vite sur l'autoroute et vous approchez de la circulation. S'il y a peu de circulation, vous n'allez pas rencontrer une autre voiture pendant un certain temps, afin que vous puissiez maintenir une vitesse plus élevée pendant plus longtemps. Dans un trafic dense, vous allez devoir ralentir rapidement. Il y a un trafic différent selon la direction dans laquelle les électrons voyagent dans le métal, et cela affecte la durée de vie des électrons à haute énergie une fois excités. »

Détails de la recherche, qu'Argonne a co-dirigé avec des chercheurs de l'Université Duke, Université de l'Ohio et Université des sciences et technologies électroniques de Chine, paru le 17 octobre 2017, édition de Communication Nature . L'étude s'intitule "Génération améliorée et diffusion coulombienne anisotrope d'électrons chauds dans une métasurface de nanopatch plasmonique ultra-large bande".