La lumière du soleil est une source d’énergie inépuisable, et son utilisation pour produire de l’électricité est l’une des pierres angulaires des énergies renouvelables. Plus de 40 % de la lumière solaire qui tombe sur Terre se situe dans les spectres infrarouge, visible et ultraviolet; cependant, la technologie solaire actuelle utilise principalement les rayons visibles et ultraviolets. La technologie permettant d'utiliser tout le spectre du rayonnement solaire, appelée utilisation entièrement solaire, en est encore à ses balbutiements.
Une équipe de chercheurs de l'Université d'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 présentaient une utilisation entièrement solaire. Leurs résultats sont publiés dans la revue Advanced Materials. .
"Actuellement, les spectres infrarouges proches et moyens du rayonnement solaire, allant de 800 nm à 2 500 nm, ne sont pas utilisés pour la production d'énergie", explique Jeem. "L'acide tungstique est un candidat pour le développement de nanomatériaux susceptibles d'utiliser ce spectre, car il possède une structure cristalline avec des défauts qui absorbent ces longueurs d'onde."
L’équipe a utilisé une technique de photofabrication qu’elle avait précédemment développée, la photosynthèse submergée de cristallites, pour synthétiser des nanocristaux d’acide tungstique dopés avec diverses concentrations de cuivre. Les structures et les propriétés d’absorption de la lumière de ces nanocristaux ont été analysées ; leurs caractéristiques photothermiques, d'évaporation d'eau photo-assistée et photo-électrochimiques ont été mesurées.
Les nanocristaux d'oxyde de tungstène dopés au cuivre absorbent la lumière sur tout le spectre, de l'ultraviolet à la lumière visible jusqu'à l'infrarouge ; la quantité de lumière infrarouge absorbée était la plus élevée avec un dopage au cuivre de 1%. Les nanocristaux dopés au cuivre à 1 % et 5 % présentaient l'élévation de température la plus élevée (caractéristique photothermique) ; Les cristaux dopés à 1 % de cuivre ont également présenté la plus grande efficacité d'évaporation de l'eau, à environ 1,0 kg par m 2 . par heure. L'analyse structurelle des nanocristaux dopés au cuivre à 1 % a indiqué que les ions cuivre pourraient déformer la structure cristalline de l'oxyde de tungstène, conduisant aux caractéristiques observées lorsque la lumière est absorbée.
"Nos découvertes marquent une avancée significative dans la conception de nanocristallites capables à la fois de synthétiser et d'exploiter l'énergie entièrement solaire", conclut Watanabe. "Nous avons démontré que le dopage au cuivre confère aux nanocristaux d'acide tungstique diverses caractéristiques via une utilisation entièrement solaire. Cela fournit un cadre pour des recherches plus approfondies dans le domaine ainsi que pour le développement d'applications."
Plus d'informations : Melbert Jeem et al, Phases opto-critiques basées sur les défauts optimisées pour une utilisation entièrement solaire, Matériaux avancés (2023). DOI :10.1002/adma.202305494
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Université d'Hokkaido
