Récepteur solaire photo-thermique obtenu par électrophorèse de nanoparticules à propriété optique sélective

Electrophoretic deposition of nanoparticles for controlled optical properties‏

• Auteur / Autrice : Sanaa Shehayeb
• Direction : Xavier Deschanels, Iyad Ezzedine-Karamé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie séparative, matériaux et procédés
• Date : Soutenance le 30/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Laboratoire de catalyse organométallique et chimie de coordination (Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Lara Halaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Deschanels, Iyad Ezzedine-Karamé, Lara Halaoui, Ghassan Younes, Guillaume Toquer, Bilal Nssouli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghassan Younes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Nanoparticules

Capteurs solaires

Mots clés libres

Dispersion et la stabilité

Récepteurs solaires photothermique

Dépot electrophoretique

Dispersion and stability

Photothermal solar energy

Electrophoretic deposition

Résumé

La production d'eau chaude via des capteurs solaires photothermiques est une technique en expansion qui permettra de limiter l'utilisation des sources conventionnelles d’énergie (combustibles fossiles, nucléaire…). Le cuivre noir (CuO) s’avère être un matériau possédant des propriétés optiques sélectives intéressantes pour cette application. Ainsi, son utilisation au sein d’un absorbeur sous forme d’un matériau « tandem » est une solution envisagée. Le défi que nous avons tenté de relever au cours de ce travail, a été de réaliser ce type de matériau par dépôt électrophorétique (EPD) de nanoparticules de CuO déposé sur un substrat métallique de type wafer de silicium recouvert de platine ou d’or. Ce substrat « modèle » a été utilisé dans un premier temps, car il facilite la mise en œuvre de techniques de caractérisation telles que l’analyse par diffraction X en incidence rasante (GIXRD) ou l’analyse en coupe par microscopie électronique à balayage. Pour ce faire, la stabilisation de la suspension colloïdale de CuO, qui est une condition sine qua non pour la réalisation d’un dépôt électrophorétique, a été étudiée dans un solvant organique tel que l'isopropanol par ajout de Mg(NO3)2, ainsi que dans l’eau en utilisant du polyethylenimine comme dispersant. Ces deux adjuvants agissent comme des agents stabilisants et apportent aux nanoparticules une charge positive ce qui permet la réalisation d'un EPD cathodique. Afin d’optimiser la formulation des suspensions, la stabilité colloïdale en fonction de la teneur en stabilisant a été étudiée avant tout dépôt, par diffusion dynamique de la lumière (DLS) couplée à la vélocimétrie laser à effet Doppler.Différents revêtements contenant du CuO ont été obtenus en faisant varier les paramètres classiques de l’EPD (temps de dépôt, champ électrique, concentration en nanoparticules) pour pouvoir contrôler l'épaisseur finale et la morphologie. Par conséquent, la sélectivité optique et le rendement du tandem résultants peuvent être optimisés en jouant sur l’ensemble de ces paramètres. Des dépôts homogènes ont été obtenus pour [CuO] =5x10-4 g/cm3 pour les deux milieux. Les meilleures conditions sont 50 V.cm-1// 30mn pour la suspension d'IPA et 2 V.cm-1 // 120 mn pour la suspension en milieu aqueux. La composition et l'épaisseur des dépôts sont analysées par GIXRD, et par microscopie électronique (SEM-EDS). Pour les conditions optimisées, les matériaux tandem obtenus à partir de la suspension d'IPA+CuO possèdent une densité de 1.69 g/cm3 avec une grande rugosité. Au contraire, des surfaces homogènes et régulières sont obtenues en milieu aqueux et les dépôts présentent une densité beaucoup plus élevée d’environ 5.7 g/cm3.L’absorptance (α) et l’émittance (ԑ) ont été calculées à partir des spectres de réflectance de l'UV-VIS-NIR et de l’Infrarouge lointain, respectivement. L'efficacité (ƞ) du revêtement tandem obtenu en milieu aqueux est comprise entre 0.8-0.87 tandis qu’elle est seulement de 0.7 dans l’IPA. De plus, la faisabilité de l’EPD sur d’autres substrats métalliques plus conventionnels en vue d’une application (acier, aluminium, cuivre) a été explorée. L'efficacité des dépôts a pu être améliorée par des post-traitements de deux types. D’une part, en pyrolysant à 400°C sous atmosphère inerte le polymère (PEI) incorporé dans le revêtement. Le carbone résiduel obtenu à l’issue de cette pyrolyse a permis d’augmenter l’absorbance. D’autre part, en déposant sur la surface des revêtements une couche de nanoparticules de SiO2 qui joue le rôle de couche anti-réflexion et permet également de protéger la surface. Les deux voies ont été réalisées avec succès et le rendement le plus élevé obtenu pour ces revêtements est de 0.9.

The production of hot water by using efficient photothermal solar collectors is growing in importance to limit the use of fossil fuels. Black copper (CuO) has proved to be one of the viable solar-selective coatings owing to its nearly intrinsic properties. The formation of a tandem absorber based on CuO thin film deposited onto a highly IR reflecting metallic substrate is processed by electrophoretic deposition (EPD).In this way, the stabilization of a CuO colloidal suspension is studied previously by adding Mg(NO3)2 in isopropanol (IPA) or polyethylenimine (PEI) in water suspension. Both acts as positively charging agents and allow the realisation of a cathodic EPD. The colloidal stability as a function of the stabilizing agent content is studied prior to EPD, by dynamic light scattering (DLS) coupled with laser doppler velocimetry.CuO tandem absorbers are obtained by varying different EPD parameters to control the final thickness and also the morphology. Consequently, the optical selectivity of the tandem material is tuned and optimized. The deposition yield is compared relative to the different applied voltage range, deposition time and nanoparticle concentrations. Homogeneous deposits are obtained for [CuO]=5x10-4 g/cm3 from both suspensions. The optimum applied voltage is found to be 50 V.cm-1 for IPA suspension and 2 V.cm-1 for H2O suspension, for deposition times of 30 mins and 120 mins, respectively. The composition and the thickness of the coatings are analysed by Grazing Incidence X-ray diffraction (GIXRD), scanning electron microscopy (SEM) and the density is obtained from energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). For the previously mentioned optimized conditions, CuO tandem absorbers derived from IPA suspension possess a density of 1.69 g/cm3 with high surface roughness. In contrast, homogeneous and regular surfaces is obtained from water suspensions having a higher density of 5.7 g/cm3.Moreover, absorptance (α) and emittance (ԑ) are calculated from the reflectance spectra of the UV-Vis-NIR and the Fourier transform InfraRed (FTIR) spectroscopy, respectively. α and ԑ were combined to determine the efficiency (ƞ) of the tandem material. Tandems obtained from water suspension has ƞ=0.8 -0.87 while from IPA ƞ=0.7. Besides, the applicability of this EPD is checked by performing other deposit of CuO on metallic substrates of different types.CuO tandems obtained from water suspensions are clearly more prominent to be used as solar selective tandem absorbers due to the high calculated ƞ value reported. The efficiency of such selective tandem absorbers was further enhanced by carbonization (pyrolysis under inert atmosphere) of the polymer (PEI) embedded in the coating. Otherwise, a thin film of SiO2 nanoparticles was deposited at the surface of the selective tandem absorbers to protect them. Both routes were successfully processed and proved to raise ƞ to 0.9.