Les cellules solaires de nouvelle génération qui imitent la photosynthèse avec du matériel biologique pourraient donner un nouveau sens au terme « technologie verte ». L'ajout de la protéine bactériorhodopsine (bR) aux cellules solaires à pérovskite a augmenté l'efficacité des dispositifs dans une série de tests en laboratoire, selon une équipe internationale de chercheurs.

"Ces découvertes ouvrent la porte au développement d'une solution moins chère, technologie de cellules solaires bioperovskite plus respectueuse de l'environnement, " a déclaré Shashank Priya, vice-président associé pour la recherche et professeur de science des matériaux à Penn State. "À l'avenir, nous pouvons essentiellement remplacer certains produits chimiques coûteux à l'intérieur des cellules solaires par des matériaux naturels relativement moins chers."

Cellules solaires pérovskites, nommés pour leurs structures cristallines uniques qui excellent à absorber la lumière visible, sont un domaine de recherche intense car ils offrent une alternative plus efficace et moins coûteuse à la technologie solaire traditionnelle à base de silicium.

Les cellules solaires à pérovskite les plus efficaces peuvent convertir 22 à 23% de la lumière solaire en électricité. Les chercheurs ont découvert que l'ajout de la protéine bR aux cellules solaires à pérovskite améliorait l'efficacité des appareils de 14,5 à 17 %. Ils ont rapporté leurs découvertes dans le journal de l'American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS .

La recherche représente la première fois que des scientifiques montrent que des matériaux biologiques ajoutés aux cellules solaires à pérovskite peuvent fournir un rendement élevé. Les recherches futures pourraient aboutir à des matériaux de bioperovskite encore plus efficaces, les chercheurs ont dit.

"Des études précédentes ont atteint une efficacité de 8 ou 9 pour cent en mélangeant certaines protéines à l'intérieur des structures de cellules solaires, " dit Priya, un co-auteur principal de l'étude. "Mais rien n'a approché les 17 pour cent. Ces résultats sont très significatifs."

Les panneaux solaires commerciaux se composent de centaines ou de milliers de cellules solaires individuelles, Ainsi, même de petites améliorations de l'efficacité peuvent conduire à de réelles économies, selon les chercheurs.

Imiter la nature

Puisant dans la nature, les chercheurs ont cherché à améliorer encore les performances des cellules solaires à pérovskite grâce au transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), un mécanisme de transfert d'énergie entre une paire de molécules photosensibles.

"Le mécanisme FRET existe depuis longtemps, " dit Renugopalakrishnan Venkatesan, professeur à la Northeastern University et au Boston Children's Hospital, Université de Harvard, et co-auteur principal de l'étude. "Cela semble être la base de la photosynthèse et peut être trouvé dans des technologies comme le transfert d'énergie sans fil, et même dans le monde animal comme mécanisme de communication. Nous utilisons ce mécanisme pour essayer de créer un monde de systèmes bio-inspirés qui ont le potentiel de surpasser les molécules inorganiques ou organiques. »

Les protéines bR et les pérovskites ont des propriétés électriques similaires, ou des bandes interdites. En alignant ces écarts, les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'ils pourraient obtenir de meilleures performances dans les cellules solaires à pérovskite grâce au mécanisme FRET.

"Les cellules solaires fonctionnent en absorbant l'énergie lumineuse, ou des molécules de photons et créant des paires électron-trou, " dit Subhabrata Das, qui a participé à la recherche alors qu'il était étudiant au doctorat à l'Université Columbia. "En envoyant les électrons et les trous dans des directions opposées, les cellules solaires génèrent un courant électrique qui est transformé en électricité."

Cependant, un certain pourcentage de paires électron-trou se recombinent, réduire la quantité de courant produit. Le mélange de la protéine bR dans des cellules solaires à pérovskite a aidé les paires électron-trou à mieux se déplacer à travers les appareils, réduire les pertes de recombinaison et augmenter l'efficacité, disaient les scientifiques.

Les résultats pourraient potentiellement avoir des conséquences plus importantes, conduisant à la conception d'autres dispositifs hybrides dans lesquels des matériaux artificiels et biologiques travaillent ensemble, selon les chercheurs.