La lumière du soleil entre - l'électricité s'éteint, longtemps après le coucher du soleil
Batterie solaire basée sur un matériau organique poreux
Ce matériau agit comme un réservoir solaire - il stocke l'énergie et la restitue sous forme d'électricité longtemps après le coucher du soleil. L'énergie solaire captée peut donc également être utilisée pour fournir de l'électricité dans l'obscurité. Pour la première fois, il a été possible de combiner le captage solaire et le stockage d'énergie à long terme dans un cadre moléculaire unique et sans métal, fusionnant ainsi les fonctions d'une cellule solaire et d'une batterie en un système unique, léger et durable.
Des chercheurs de l'université technique de Munich (TUM), de l'institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart et de l'université de Stuttgart, avec le soutien du pôle d'excellence e-conversion, ont mis au point un cadre organique covalent (COF) bidimensionnel très poreux à base de naphtalène-diimide. Cette structure absorbe non seulement la lumière du soleil, mais stabilise également les charges photo-induites qui en résultent, ce qui permet de stocker de l'énergie pendant plus de 48 heures dans des environnements aqueux.
Les charges stockées ne sont pas simplement conservées, mais peuvent être activement déchargées pour alimenter une charge externe, ce qui permet une véritable utilisation énergétique. "Bibhuti Bhusan Rath, auteur principal de l'étude et post-doctorant dans l'équipe de recherche du professeur Bettina Lotsch (directeur de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide). "Ses performances dépassent celles de nombreux matériaux optoioniques existants, et ce sans avoir recours à des métaux ou à des éléments rares.
En combinant des techniques optiques, électrochimiques et informatiques avancées, les chercheurs ont découvert que l'eau joue un rôle central dans la stabilisation des charges stockées. Plutôt que d'interagir fortement avec des ions externes, les molécules d'eau réagissent aux charges du squelette COF de manière à créer une barrière énergétique, empêchant efficacement la recombinaison des charges piégées générées par la lumière et préservant l'énergie en vue d'une libération ultérieure. Le matériau présente une capacité de stockage de charge de 38 mAh/g, surpassant des structures similaires et d'autres matériaux sensibles à la lumière tels que les nitrures de carbone et les structures métallo-organiques.
Simplicité et robustesse
Le mécanisme théorique à l'origine de ce comportement a été élucidé avec l'équipe de Frank Ortmann, professeur de méthodes théoriques en spectroscopie à l'école des sciences naturelles de la TUM, deuxième auteur correspondant de l'étude. Grâce à des simulations approfondies, ils ont évalué différents scénarios de stabilisation de la charge. Ils ont collaboré étroitement avec l'équipe expérimentale pour comprendre l'interaction entre la structure du COF, les états électroniques et le milieu aquatique environnant. "La beauté de ce système réside dans sa simplicité et sa robustesse", explique M. Ortmann. "Il stocke les charges induites par la lumière dans un état stable, résultant de l'interaction unique de la conception moléculaire, de l'architecture du cadre et de l'environnement, et les libère en fonction des besoins.
L'équipe, qui a collaboré avec des chercheurs du groupe du professeur Joris van Slageren de l'université de Stuttgart, a en outre démontré une excellente stabilité de cycle, avec plus de 90 % de rétention de capacité après plusieurs cycles de charge, ce qui laisse entrevoir une nouvelle plateforme puissante pour les batteries solaires. "Ce travail met en évidence le potentiel des cadres organiques à être affinés pour des applications énergétiques avancées - en utilisant uniquement des blocs de construction organiques et de l'eau", a déclaré l'auteur principal, M. Lotsch. "Il marque une étape importante vers des solutions de stockage d'énergie durables et basées sur des matériaux, ainsi que vers des applications hors réseau.
L'approche innovante des batteries solaires fait l'objet de recherches plus approfondies au Centre de batteries solaires MPG-TUM (SolBat), récemment créé.
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Publication originale
Bibhuti Bhusan Rath, Laura Fuchs, Friedrich Stemmler, Andrés Rodríguez-Camargo, Yang Wang, Maximilian F. X. Dorfner, Johann Olbrich, Joris van Slageren, Frank Ortmann, Bettina V. Lotsch; "Insights into Decoupled Solar Energy Conversion and Charge Storage in a 2D Covalent Organic Framework for Solar Battery Function"; Journal of the American Chemical Society, 2025-4-28
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