Les recherches montrent qu'à tout moment, environ 89 000 térawatts d'énergie solaire atteignent la surface de la Terre, mais la technologie existante est encore difficile à utiliser pleinement cette énorme ressource, en particulier pour l'absorption de l'ensemble du spectre solaire. Les modules photovoltaïques actuels convertissent principalement la lumière visible et une partie du proche infrarouge en énergie électrique, et une grande quantité d’énergie ultraviolette et infrarouge est gaspillée. Bien que les systèmes de concentration et d’utilisation de l’énergie solaire thermique tentent de couvrir une bande plus large, ils sont limités par des limitations telles que des matériaux absorbants imparfaits et une grande infrastructure. Comment « éliminer » le spectre solaire autant que possible avec un coût et une complexité limités est devenu un sujet important dans le domaine des matériaux énergétiques.
Une équipe de recherche de la Graduate School of Converged Science and Technology de l’Université de Corée et de l’Institut coréen des sciences et technologies (KU-KIST) à Séoul, en Corée du Sud, a récemment signalé un nouveau développement. Ils ont réussi à absorber efficacement presque tout le spectre solaire disponible dans un dispositif solaire à utilisation thermique grâce à une structure de nanosphères d'or auto-assemblées - des "superballes" colloïdales plasmoniques. Selon les rapports, le taux d'absorption de la lumière de ce nouveau revêtement dans les bandes ultraviolette, visible et proche infrarouge peut être proche de 90 %, ce qui améliore considérablement l'efficacité de capture de l'énergie thermique et augmente la puissance de sortie des dispositifs de production d'énergie thermoélectrique à environ 2,4 fois celle des revêtements de nanoparticules traditionnels.
Le rayonnement solaire est composé d’environ 50 à 55 % d’ultraviolets, de 40 à 45 % de lumière visible et de 3 à 5 % d’infrarouge. Les modules photovoltaïques traditionnels sont plus sensibles à la lumière visible et ont une utilisation limitée des ultraviolets et de certains infrarouges. Les systèmes solaires à concentration reposent sur des miroirs pour réfléchir la lumière du soleil vers le récepteur. Bien qu'ils couvrent une bande plus large, ils nécessitent des structures optiques et de support à grande échelle et sont toujours limités par l'efficacité d'absorption du matériau récepteur. Les dispositifs d'utilisation de l'énergie solaire thermique fonctionnent raisonnablement bien en termes d'absorption de la lumière visible et de l'infrarouge, mais leurs revêtements de surface sont généralement difficiles à obtenir une absorption proche du spectre complet du « corps noir », ce qui entraîne une efficacité globale limitée du système.
Pour résoudre ce goulot d'étranglement, l'équipe de recherche a conçu une structure « hypersphère » : d'abord, des colloïdes de nanoparticules d'or ont été préparés dans une solution, leur permettant de s'assembler spontanément en agrégats sphériques de la taille du micron dans la phase liquide. Chaque « hypersphère » est composée de milliers de nanoparticules d’or étroitement regroupées. Les chercheurs ont ensuite appliqué les gouttelettes colloïdales sur la surface céramique du dispositif de production d'énergie thermoélectrique et les ont séchées pour former un revêtement dense et texturé qui améliore considérablement l'absorption de la lumière du soleil. Le diagramme présenté dans le rapport montre une « hypersphère » d'un diamètre d'environ 2 100 nanomètres, composée d'un grand nombre de nanoparticules d'or soigneusement conçues pour améliorer l'effet de capture de la lumière.
Des films de nanoparticules d'or et des revêtements d'absorption diélectrique ont déjà été utilisés pour améliorer l'absorption de la lumière dans des bandes de longueurs d'onde spécifiques et réduire les pertes par reradiation thermique. Cependant, ces solutions traditionnelles présentent souvent des problèmes tels qu'une absorption infrarouge insuffisante, une sensibilité à l'angle d'incidence, un coût de fabrication élevé et une mauvaise stabilité thermique dans des conditions de service à haute température à long terme. En revanche, l'« hypersphère » plasma proposée cette fois a un mécanisme différent : la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) générée à la surface des nanoparticules, superposée à la résonance de type Mie de l'hypersphère entière, permet aux photons incidents d'être efficacement « piégés » dans les bandes ultraviolettes, visibles et proches infrarouges et convertis en énergie thermique. Cet effet synergique de résonance multi-échelles est la clé pour obtenir une absorption élevée sur tout le spectre.
Lors de tests de performances spécifiques, le dispositif de production d'énergie thermoélectrique recouvert du revêtement « hypersphère » a montré un taux d'absorption d'environ 90 % du spectre solaire, et a ainsi formé un gradient de température plus fort, rendant la puissance de sortie environ 2,4 fois supérieure à celle des revêtements de nanoparticules traditionnels. L'équipe de recherche a souligné que cette technologie est actuellement principalement utilisée pour divers systèmes solaires thermiques, notamment la production d'énergie solaire thermoélectrique (TEG), les capteurs solaires thermiques, la gestion thermique et le chauffage passif. De plus, il devrait être combiné avec des cellules photovoltaïques pour construire un système hybride photovoltaïque-photothermique (PVT) : la partie de la lumière visible est convertie en énergie électrique par le module photovoltaïque, et la bande de longueur d'onde restante est efficacement absorbée en énergie thermique à travers le revêtement « hypersphère ».
Les auteurs de l'article incluent Jaewon Lee, Seungwoo Lee et Kyung Hun Rho, et les résultats pertinents ont été publiés dans la revue « ACS Applied Materials & Interfaces ». Au cours de l'étude, Li Chengyou a déclaré que l'« hypersphère » plasmatique proposée fournit un chemin de structure simple, mais capable de collecter efficacement l'ensemble du spectre solaire, et devrait abaisser considérablement le seuil technique des systèmes solaires thermiques et photothermiques à haut rendement dans les applications énergétiques pratiques. Ce point de vue est repris par un communiqué de presse de l'American Chemical Society cité dans le document, qui souligne l'impact potentiel de cette technologie sur l'amélioration de l'efficacité de l'énergie solaire.
Outre ses performances, un autre avantage majeur de cette technologie est sa praticité. Les chercheurs ont souligné que le revêtement « super sphère » est préparé à l’aide d’un procédé en solution, peu complexe et facile à appliquer à grande échelle. Dans le même temps, ce revêtement est directement compatible avec les dispositifs commerciaux existants, ce qui signifie que sans modifier de manière significative la structure de l'équipement, il devrait apporter des améliorations significatives des performances aux systèmes existants d'utilisation de l'énergie solaire thermique et de production d'énergie thermoélectrique par un simple revêtement ou une modification. Dans le contexte de la transformation énergétique accélérée dans le monde, ce type d'innovation matérielle qui peut être directement connectée aux infrastructures existantes et qui présente à la fois un rendement et une fabricabilité élevés est en train de devenir l'une des orientations qui attirent le plus l'attention dans le nouveau domaine énergétique.