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Exploiter l’énergie entièrement solaire : la percée des nanocristaux transforme la conversion de la lumière infrarouge

Copper-Doped Tungstic Acid Nanocrystal

(À gauche) Un seul nanocristal d’acide tungstique dopé au cuivre ; (à droite) Image à résolution atomique du nanocristal. Crédit : Melbert Jeem

Le dopage systématique du cuivre stimule l’utilisation entièrement solaire du tungstique acide nanocristaux.

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.

Résultats de la recherche de l’Université d’Hokkaido

Une équipe de chercheurs de Université d’Hokkaido, dirigés par le professeur adjoint Melbert Jeem et le professeur Seiichi Watanabe de la Faculté d’ingénierie, ont synthétisé des matériaux à base d’acide tungstique dopés au cuivre qui présentaient une utilisation entièrement solaire. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la revue Matériaux avancés.

« 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 présentant des défauts qui absorbent ces longueurs d’onde. »

Absorption relative de la lumière des nanocristaux d'acide tungstique

Une absorption relative résumée de la lumière des cristaux d’acide tungstique allant de la lumière ultraviolette à la lumière infrarouge. 1, 5 et 10 sont les concentrations de cuivre entraînant l’optocriticité des nanocristaux. Crédit : Melbert Jeem, et al. Matériaux avancés. 29 juillet 2023

Méthodologie et résultats

Les scientifiques ont utilisé une technique de photofabrication qu’ils avaient précédemment développée, la photosynthèse immergée 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 de l’eau photo-assistée et photoélectrochimiques 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 au cuivre à 1 % présentaient également la plus grande efficacité d’évaporation de l’eau, à environ 1,0 kg par m2 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.

Remarques finales

« 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 la poursuite des recherches dans le domaine ainsi que pour le développement d’applications.

Ce travail a été soutenu par la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) KAKENHI (20H00295, 21K04823). Ce travail a été en partie réalisé grâce à un système de superordinateur du centre d’initiative d’information de l’Université d’Hokkaido. Ce travail a été mené à l’Université d’Hokkaido, avec le soutien de l’Infrastructure de recherche avancée sur les matériaux et la nanotechnologie au Japon (ARIM) du ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT).

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