La clé pour créer un matériau qui serait idéal pour convertir l'énergie solaire en chaleur est de régler correctement le spectre d'absorption du matériau :il devrait absorber pratiquement toutes les longueurs d'onde de la lumière qui atteignent la surface de la Terre depuis le soleil, mais pas beaucoup du reste de la spectre, puisque cela augmenterait l'énergie qui est rerayée par le matériau, et donc perdu dans le processus de conversion.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT disent avoir réalisé le développement d'un matériau très proche de l'"idéal" pour l'absorption solaire. Le matériau est un cristal photonique diélectrique métallique bidimensionnel, et a les avantages supplémentaires d'absorber la lumière du soleil sous un large éventail d'angles et de résister à des températures extrêmement élevées. Peut-être le plus important, le matériau peut également être fabriqué à moindre coût à grande échelle.

La création de ce matériel est décrite dans un article publié dans la revue Matériaux avancés , co-écrit par le postdoctorant MIT Jeffrey Chou, professeurs Marin Soljacic, Nicolas Croc, Evelyne Wang, et Sang-Gook Kim, et cinq autres.

Le matériau fonctionne dans le cadre d'un dispositif solaire-thermophotovoltaïque (STPV) :l'énergie de la lumière du soleil est d'abord convertie en chaleur, ce qui fait alors briller le matériau, émettant de la lumière qui peut, à son tour, être converti en courant électrique.

Certains membres de l'équipe ont travaillé sur un ancien dispositif STPV qui prenait la forme de cavités creuses, explique Chou, du Département de génie mécanique du MIT, qui est l'auteur principal de l'article. "Ils étaient vides, il y avait de l'air à l'intérieur, " dit-il. " Personne n'avait essayé de mettre un matériau diélectrique à l'intérieur, nous avons donc essayé cela et avons vu des propriétés intéressantes."

Lors de l'exploitation de l'énergie solaire, " vous voulez le piéger et le garder là, " Dit Chou ; obtenir le bon spectre d'absorption et d'émission est essentiel pour une performance STPV efficace.

La plupart de l'énergie du soleil nous atteint dans une bande spécifique de longueurs d'onde, Chou explique, allant de l'ultraviolet à la lumière visible et au proche infrarouge. "C'est une fenêtre très spécifique dans laquelle vous voulez vous imprégner, " dit-il. " Nous avons construit cette structure, et a trouvé qu'il avait un très bon spectre d'absorption, exactement ce que nous voulions."

En outre, les caractéristiques d'absorption peuvent être contrôlées avec une grande précision :le matériau est constitué d'un ensemble de nanocavités, et "vous pouvez régler l'absorption simplement en changeant la taille des nanocavités, " dit Chou.

Une autre caractéristique clé du nouveau matériau, Chou dit, est qu'il est bien adapté à la technologie de fabrication existante. "C'est le tout premier appareil de ce genre qui peut être fabriqué avec une méthode basée sur les techniques actuelles, ce qui signifie qu'il peut être fabriqué sur des échelles de plaquettes de silicium, " Dit Chou — jusqu'à 12 pouces de côté. Des démonstrations en laboratoire antérieures de systèmes similaires ne pouvaient produire que des appareils de quelques centimètres de côté avec des substrats métalliques coûteux, n'étaient donc pas adaptés à la mise à l'échelle de la production commerciale, il dit.

Afin de tirer le meilleur parti des systèmes qui concentrent la lumière du soleil à l'aide de miroirs, le matériau doit pouvoir survivre indemne à des températures très élevées, dit Chou. Le nouveau matériau a déjà démontré qu'il peut supporter une température de 1, 000 degrés Celsius (1, 832 degrés Fahrenheit) pendant une période de 24 heures sans dégradation sévère.

Et puisque le nouveau matériau peut absorber efficacement la lumière du soleil sous un large éventail d'angles, Chou dit, « nous n'avons pas vraiment besoin de suiveurs solaires », ce qui ajouterait considérablement à la complexité et aux dépenses d'un système d'énergie solaire.

"C'est le premier appareil capable de faire toutes ces choses en même temps, " dit Chou. " Il a toutes ces propriétés idéales. "

Alors que l'équipe a fait la démonstration de dispositifs fonctionnels utilisant une formulation qui comprend un métal relativement cher, ruthénium, "nous sommes très flexibles sur les matériaux, " dit Chou. " En théorie, vous pouvez utiliser n'importe quel métal qui peut survivre à ces températures élevées."

"Ce travail montre le potentiel de l'ingénierie photonique et de la science des matériaux pour faire progresser la récupération de l'énergie solaire, " dit Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui n'a pas participé à cette recherche. "Dans ce document, les auteurs ont démontré, dans un système conçu pour résister à des températures élevées, l'ingénierie des propriétés optiques d'un potentiel absorbeur thermophotovoltaïque solaire pour correspondre au spectre du soleil. Bien sûr beaucoup de travail reste à réaliser pour réaliser une cellule solaire pratique, cependant, le travail ici est l'une des étapes les plus importantes de ce processus."

Le groupe travaille désormais à l'optimisation du système avec des métaux alternatifs. Chou s'attend à ce que le système puisse devenir un produit commercialement viable d'ici cinq ans. Il travaille avec Kim sur les applications de ce projet.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.