De minuscules sphères d'or pourraient améliorer la captation de l'énergie solaire
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À tout instant, 89 000 térawatts d'énergie solaire atteignent la surface de la Terre. Malgré des progrès considérables dans la captation de cette énergie, les technologies actuelles n'exploitent pas pleinement le potentiel du spectre solaire. Cette limitation tient principalement à l'absorption incomplète des rayonnements ultraviolet, visible et infrarouge du soleil.
Une équipe de chercheurs de l'école supérieure KU-KIST de sciences et technologies convergentes, à Séoul, a maintenant présenté une méthode permettant d'absorber la quasi-totalité du spectre solaire utilisable dans des dispositifs thermiques, grâce à l'utilisation de nanosphères d'or auto-assemblées appelées supraballes colloïdales plasmoniques.
Le rayonnement solaire couvre les longueurs d'onde ultraviolettes (50 à 55 %), visibles (40 à 45 %) et infrarouges (3 à 5 %). Les cellules photovoltaïques (PV) convertissent principalement la lumière visible et une partie du proche infrarouge en électricité, laissant une grande partie de l'énergie restante inexploitée. Les centrales solaires thermodynamiques captent un spectre plus large grâce à des miroirs, mais nécessitent des infrastructures importantes et dépendent encore de matériaux récepteurs dont l'absorption n'est pas parfaite. Les capteurs solaires thermiques absorbent relativement bien la lumière visible et infrarouge, mais leur rendement est limité par les revêtements de surface qui atteignent rarement une absorption quasi totale.
C’est là qu’interviennent les supraballes plasmoniques.
Cette nouvelle technologie repose sur une suspension colloïdale de nanoparticules d'or qui s'auto-assemblent en sphères micrométriques en solution. Des milliers de nanoparticules s'agglutinent pour former des « supraballes », et le liquide est ensuite déposé goutte à goutte sur la surface en céramique d'un générateur thermoélectrique, formant ainsi un film dense et texturé qui capte efficacement la lumière solaire.
Il existe déjà des films de nanoparticules d'or conventionnels et des revêtements absorbants diélectriques capables d'accroître l'absorption de la lumière dans des gammes de longueurs d'onde spécifiques et de réduire le rayonnement thermique. Cependant, ils présentent souvent des limitations en termes d'absorption infrarouge, de sensibilité angulaire, de coûts de fabrication élevés et de dégradation thermique lors d'une exposition thermique prolongée.
Le fonctionnement des suprasphères plasmoniques est différent. Les résonances plasmoniques de surface localisées (RPSL) à la surface des nanoparticules, combinées aux résonances de type Mie au sein des sphères, piègent les photons dans les longueurs d'onde UV, visibles et proche infrarouge, convertissant une grande partie de cette énergie en chaleur. Il en résulte une absorption d'environ 90 % sur l'ensemble du spectre solaire, améliorant considérablement la capture d'énergie thermique et créant un gradient de température plus important qui génère finalement une puissance près de 2,4 fois supérieure à celle des revêtements de nanoparticules conventionnels.
L'équipe, composée de Jaewon Lee, Seungwoo Lee et Kyung Hun Rho, a publié ses recherches dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces .
Il est important de noter que la technologie des supraballes plasmoniques est principalement conçue pour les systèmes solaires thermiques, tels que les générateurs solaires thermoélectriques (systèmes TEG), les capteurs solaires thermiques et les systèmes de gestion thermique et de chauffage passif. Elle pourrait également jouer un rôle dans les systèmes hybrides photovoltaïques-thermiques (PVT) où la lumière visible est convertie en électricité par des cellules photovoltaïques et les longueurs d'onde restantes sont récupérées sous forme de chaleur.
« Nos supraballes plasmoniques offrent une solution simple pour exploiter l'intégralité du spectre solaire », explique Seungwoo Lee. « À terme, cette technologie de revêtement pourrait considérablement faciliter l'accès aux systèmes solaires thermiques et photothermiques à haut rendement pour des applications énergétiques concrètes. »
Outre ses performances, un autre atout majeur de cette technologie réside dans sa praticité. La fabrication et l'application des suprablles sont simples et rapides grâce à un procédé de dépôt en solution. De plus, cette technologie est compatible avec les dispositifs déjà disponibles sur le marché.