Lorsque les rayons du soleil frappent le matériau composant une cellule solaire, des électrons se libèrent et pourront être exploités pour produire un courant électrique.
Les nouvelles recherches du MIT publiées en ligne cette semaine dans la revue "Nature Nanotechnology", sont basées sur les conclusions que les nanotubes de carbone – microscopiques cylindres creux en carbone pur – peuvent améliorer l’efficacité de la collecte d’électrons à la surface des cellules solaires.
Les précédentes tentatives dans l’utilisation des nanotubes ont échoué à cause principalement de 2 problèmes majeurs. Tout d’abord, la fabrication de nanotubes de carbone produit généralement un mélange de 2 éléments, dont certains agissent comme des semi-conducteurs (parfois permettant le passage d’un courant électrique, parfois non) ou comme des métaux (agissent comme des fils, permettant au courant de circuler facilement). Pour la 1ère fois, ces nouvelles recherches ont montré que les effets de ces 2 types ont tendance à être différent, parce que les nanotubes semi-conducteurs peuvent améliorer les performances des cellules solaires, alors que l’on obtient l’effet inverse avec l’élément métalliques. Deuxièmement, les nanotubes ont tendance à s’agglomérer, ce qui réduit leur efficacité.
C’est à ce niveau qu’intervient les virus. Des étudiants et plusieurs autres chercheurs du MIT ont constaté qu’une version génétiquement modifiée d’un virus appelé M13, – qui infecte habituellement les bactéries -, pouvait être utilisé pour contrôler la disposition des nanotubes sur une surface, gardant les tubes séparés (pas de court-circuit), et à distance (pas d’agglomération possible).
Le système utilisé par les chercheurs a été testé sur un type de cellule solaire bien connu sous le nom cellules solaires à colorant, un matériau léger et peu coûteux, où la couche active est composée de dioxyde de titane, à la place du silicium. Mais selon les chercheurs, "la même technique pourrait être appliquée à d’autres types de cellules, comme les points quantiques et les cellules solaires organiques." Dans leurs essais, rien qu’en ajoutant les virus assembleurs de structures, la conversion d’énergie a été améliorée de presque 1 tiers, en passant de 8% à 10.6% !
Cette amélioration spectaculaire a lieu même si les virus et les nanotubes ne représentent que 0,1% du poids total de la cellule.
Ces virus sont utilisés pour aider à améliorer une étape particulière dans le processus de conversion d’énergie solaire en électricité. Dans une cellule solaire, la première étape consiste à récupérer l’énergie de la lumière grâce aux électrons qui viennent frapper la cellule solaire (souvent du silicium). Ensuite, ces mêmes électrons doivent être canalisés vers un collecteur, créant au final un courant électrique. Le nouveau système est destiné à améliorer l’efficacité de la deuxième étape, en aidant les électrons à trouver leur chemin : l’ajout de nanotubes de carbone à la cellule "offre une voie plus directe pour le collecteur de courant", précise le professeur Angela Belcher du MIT.
Les virus remplissent deux fonctions différentes dans ce processus. D’abord, ils possèdent des protéines appelés peptides courts qui peuvent se lier étroitement aux nanotubes de carbone, les maintenant en place et les gardant à distance les uns des autres. Chaque virus peut s’occuper de 5 à 10 nanotubes, dont chacun est fermement maintenu en place par environ 300 molécules peptidiques. En outre, ce virus a été conçu pour produire un revêtement en dioxyde de titane (TiO2), (un ingrédient clé des cellules à pigment photosensible), sur chacun des nanotubes, mettant le dioxyde de titane à proximité des nanotubes filiformes transportant les électrons.
Les 2 fonctions sont réalisées successivement par le même virus, dont l’activité est "sous tension" d’une fonction à l’autre en changeant l’acidité de son environnement. "Cette fonction de commutation est une nouvelle capacité cruciale qui a été démontrée pour la première fois dans cette recherche", a indiqué le Pr. Belcher.
Par ailleurs, le virus rend les nanotubes solubles dans l’eau, ce qui permet de les incorporer dans les cellules solaires en utilisant un procédé à base d’eau qui fonctionne à température ambiante.
Prashant Kamat, un professeur de chimie et biochimie de l’Université Notre-Dame qui a beaucoup travaillé sur les cellules solaires à colorant photosensible, a indiqué que les différentes tentatives d’amélioration du rendement des cellules solaires par l’utilisation des nanotubes de carbone étaient jusqu’à présent "marginales". A contrario, celles réalisées par l’équipe du MIT grâce à la méthode d’assemblage par virus étaient « impressionnantes ».
"Il est probable que le gabarit du virus a permis aux chercheurs d’établir un meilleur contact entre les nanoparticules de TiO2 et les nanotubes de carbone. Ces contacts étroits avec des nanoparticules de TiO2 sont essentielles pour conduire rapidement et efficacement les électrons photo-générés vers l’électrode collecteur."
Le Pr. Kamat pense que ce processus innovant pourrait bien mener à un produit économiquement viable: "Les cellules solaires à colorant photosensible sont déjà commercialisés au Japon, en Corée et à Taïwan", a t’il poursuivi. "Si l’ajout de nanotubes de carbone réalisé à partir de ce processus à base de virus peut améliorer leur efficacité, alors l’industrie est susceptible de l’adopter."
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