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 tombant sur Terre appartient au spectre infrarouge, visible et ultraviolet ; cependant, la technologie solaire actuelle utilise principalement la lumière visible et ultraviolette. Les technologies qui exploitent le spectre complet du rayonnement solaire, appelé énergie solaire totale, en sont encore à leurs balbutiements.
(À gauche) Nanocristal d’acide tungstique dopé au cuivre ; (à droite) Image à résolution atomique du nanocristal.
Une équipe de recherche dirigée par les professeurs adjoints Melbert Jeem et le professeur Seiichi Watanabe du Collège d'ingénierie de l'Université de Hokkaido a synthétisé un matériau à base de tungstate dopé au cuivre avec une utilisation complète de l'énergie solaire. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la revue Advanced Materials.
Jeem explique : « Actuellement, le spectre infrarouge proche et moyen du rayonnement solaire (800 nm à 2 500 nm) n'a pas été utilisé pour produire de l'électricité. L'acide tungstique est un candidat pour développer des nanomatériaux qui pourraient exploiter ce spectre car il possède une structure cristalline avec des défauts qui absorbent ces longueurs d'onde.
Résumé de l'absorption relative de la lumière des cristaux de tungstate, de la lumière UV à la lumière infrarouge. 1, 5 et 10 sont les concentrations de cuivre qui rendent les nanocristaux photocritiques. Crédit image : MelbertJeem et al. Matériaux avancés. 29 juillet 2023
Les scientifiques ont utilisé une technique de photofabrication qu'ils avaient précédemment développée, la photosynthèse sous-marine de microcristaux, pour synthétiser des nanocristaux de tungstate dopés à différentes concentrations de cuivre. La structure et les propriétés d’absorption de la lumière de ces nanocristaux ont été analysées ; leurs propriétés photothermiques, d'évaporation d'eau photoassistée et photoélectrochimiques ont été mesurées.
Les nanocristaux d'oxyde de tungstène dopés au cuivre absorbent tout le spectre de la lumière, de l'ultraviolet à la lumière visible en passant par l'infrarouge ; lorsque la quantité de dopage au cuivre est de 1 %, l'absorption de la lumière infrarouge est la plus importante. Les nanocristaux dopés au cuivre à 1 % et 5 % présentent l'augmentation de température la plus élevée (propriétés photothermiques) ; Les cristaux dopés au cuivre à 1 % présentent également la plus grande efficacité d’évaporation de l’eau, soit environ 1,0 kilogramme par mètre carré et par heure. L'analyse structurelle de nanocristaux dopés au cuivre à 1 % a révélé que les ions cuivre peuvent déformer la structure cristalline de l'oxyde de tungstène, provoquant les propriétés observées lorsque la lumière est absorbée.
"Notre découverte marque une avancée majeure dans la conception de nanocristaux capables de synthétiser et d'exploiter la totalité de l'énergie solaire", a conclu Watanabe. "Nous avons démontré que le dopage au cuivre confère de multiples propriétés aux nanocristaux de tungstate grâce à l'utilisation complète de l'énergie solaire. Cela fournit un cadre pour des recherches plus approfondies dans ce domaine et le développement d'applications."