Calcul ab initio de la structure électronique et des propriétés optiques du carbure de tungstène dans un TiCN

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9407 (2023) Citer cet article

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Nous présentons un calcul ab initio pour comprendre les structures électroniques et les propriétés optiques d'un WC en carbure de tungstène, composant majeur d'un cermet à base de TiCN. Le cermet à base de TiCN est largement utilisé comme outil de coupe et est jeté comme d'habitude après utilisation. D’un autre côté, le cermet lui-même est également un ingrédient célèbre d’un film d’absorption solaire. Nous avons constaté que le WC a une excitation plasma assez faible en énergie \(\sim\) 0,6 eV (2 \(\upmu\)m) et peut donc être un bon constituant d'un absorbeur solaire sélectif. Le facteur de mérite évalué pour la conversion photothermique est nettement élevé par rapport à celui des autres matériaux inclus dans le cermet à base de TiCN. La partie imaginaire de la fonction diélectrique est considérablement petite autour du point zéro de la partie réelle de la fonction diélectrique, correspondant à l'énergie d'excitation du plasma. Par conséquent, un bord de plasma clair est apparu, garantissant les hautes performances du WC en tant qu'absorbeur solaire. Il s’agit d’un aspect fascinant, car l’outil de coupe en cermet à base de TiCN gaspillé peut être recyclé en tant que film d’absorption solaire après des traitements et modifications appropriés.

Le remplacement des combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables a fait l’objet d’études approfondies ces dernières années. L’énergie solaire est considérée comme une alternative prometteuse pour résoudre les problèmes énergétiques mondiaux en raison de son abondance1. L’exploration de technologies durables et respectueuses de l’environnement a été considérée comme importante pour parvenir à une utilisation pratique de la récolte de l’énergie solaire. La conversion photovoltaïque est la technologie la plus répandue pour générer directement de l’énergie électrique à partir de l’énergie solaire. D'autre part, des absorbeurs solaires à base de cermet ont également été commercialisés pour obtenir de l'énergie thermique à partir de la lumière du soleil2. La centrale solaire à concentration est l'une des technologies éprouvées, qui génère de l'électricité par une turbine à vapeur. L'énergie thermique peut être stockée pour produire de l'électricité lorsque le soleil ne brille plus. Le stockage de l'énergie thermique est nettement moins cher que les autres systèmes de stockage d'énergie (par exemple les batteries)3. Cependant, trois limites d’un absorbeur solaire artificiel ont été identifiées pour améliorer le système solaire thermique4. Premièrement, les absorbeurs solaires à haut rendement sont fabriqués selon des conceptions complexes utilisant des métamatériaux structurés en dessous de la longueur d'onde. Deuxièmement, les méthodes de préparation traditionnelles nécessitent un équipement de dépôt sous vide coûteux et des cibles de haute pureté pour créer une surface multicouche. Troisièmement, la stabilité thermique est insuffisante pour maintenir leur absorption spectrale sélective pendant un fonctionnement à long terme à haute température.

Le cermet est un composite de métal et de céramique doté de propriétés de dureté, de stabilité thermique et d'antioxydation. Un absorbeur solaire typique est illustré à la Fig. 1a1,2. L'absorbeur solaire à base de cermet se compose d'une couche de cermet comme absorbeur avec une couche antireflet en haut et un réflecteur infrarouge en bas. L'absorbeur solaire sélectif joue un rôle important pour atteindre les hautes performances en tant qu'absorbeur solaire. La puissance émissive du corps noir augmente considérablement à haute température, ce qui entraîne une perte de chaleur radiative importante de l'absorbeur. Un absorbeur solaire sélectif idéal doit avoir une absorptivité solaire élevée et une faible émissivité thermique, comme décrit par une ligne verte sur la figure 1b avec une longueur d'onde de coupure de 2,0 \(\upmu\)m5. Les absorbeurs à base de cermet ont été bien étudiés avec des oxydes contenant des particules métalliques. La fonction diélectrique du composite est contrôlée en augmentant la fraction volumique de métal pour diminuer les fréquences des pics d'absorption analysées par l'approximation de Bruggeman3.

(a) Une figure schématique d'un absorbeur solaire à base de cermet constitué d'une couche antireflet, d'une couche de cermet et d'une couche réfléchissant les infrarouges. (b) Une figure schématique pour voir les performances optiques requises en tant qu'absorbeur solaire. Une courbe continue rouge décrit la puissance spectrale de la lumière solaire allant de 0,3 à 2,0 \(\upmu\)m, et une courbe continue bleue représente la puissance spectrale de l'irradiation thermique du corps noir. Ainsi, 2 \(\upmu\)m est une longueur d'onde de coupure assurant une forte absorption solaire et une faible émissivité thermique. Idéalement, un matériau avec un spectre d’absorptivité \(A(\lambda )\) décrit par une ligne continue verte est préférable comme absorbeur solaire.