Une équipe internationale de scientifiques a démontré une percée dans la conception et la fonction des nanoparticules qui pourraient rendre les panneaux solaires plus efficaces en convertissant la lumière habituellement manquée par les cellules solaires en énergie utilisable.

L'équipe, dirigé par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, a démontré comment le revêtement de minuscules particules avec des colorants organiques améliore considérablement leur capacité à capturer la lumière proche infrarouge et à réémettre la lumière dans le spectre de la lumière visible, qui pourrait également être utile pour l'imagerie biologique.

Une fois qu'ils ont compris le mécanisme qui permet aux colorants des nanoparticules de fonctionner comme des antennes pour recueillir une large gamme de lumière, ils ont réussi à remanier les nanoparticules pour amplifier davantage les propriétés de conversion de la lumière des particules. Leur étude a été publiée en ligne le 23 avril dans Photonique de la nature .

"Ces colorants organiques capturent de larges bandes de lumière proche infrarouge, " a déclaré Bruce Cohen, un scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a aidé à diriger l'étude avec les scientifiques de la fonderie moléculaire P. James Schuck (maintenant à l'Université Columbia), et Emory Chan. La Fonderie Moléculaire est un centre de recherche en nanosciences.

« Étant donné que les longueurs d'onde de la lumière dans le proche infrarouge sont souvent inutilisées dans les technologies solaires axées sur la lumière visible, " Cohen a ajouté, "et ces nanoparticules sensibilisées par colorant convertissent efficacement la lumière proche infrarouge en lumière visible, ils soulèvent la possibilité de capter une bonne partie du spectre solaire qui serait autrement gaspillée, et en l'intégrant dans les technologies solaires existantes."

Les chercheurs ont découvert que le colorant lui-même amplifie la luminosité de la lumière réémise d'environ 33, 000 fois, et son interaction avec les nanoparticules augmente son efficacité de conversion de la lumière d'environ 100 fois.

Cohen, Schuck, et Chan avait travaillé pendant environ une décennie pour concevoir, fabriquer, et étudier les nanoparticules à conversion ascendante (UCNP) utilisées dans cette étude. Les UCNP absorbent la lumière proche infrarouge et la convertissent efficacement en lumière visible, une propriété inhabituelle due aux combinaisons d'ions métalliques de lanthanide dans les nanocristaux. Une étude de 2012 a suggéré que les colorants à la surface des UCNP améliorent considérablement les propriétés de conversion de la lumière des particules, mais le mécanisme restait un mystère.

"Il y avait beaucoup d'excitation et puis beaucoup de confusion, " a déclaré Cohen. "Cela nous a fait nous gratter la tête."

Bien que de nombreux chercheurs aient tenté de reproduire l'étude au cours des années suivantes, "Peu de gens pourraient faire fonctionner la procédure publiée, " a ajouté Chan. " Les colorants semblaient se dégrader presque immédiatement après exposition à la lumière, et personne ne savait exactement comment les colorants interagissaient avec la surface des nanoparticules."

Le mélange unique d'expertise et de capacités à la Fonderie Moléculaire, qui comprenait des travaux théoriques et un mélange d'expériences, savoir-faire en chimie, et des techniques de synthèse bien rodées, rendu possible la dernière étude, il a noté. "C'est l'un de ces projets qu'il serait difficile de réaliser ailleurs."

Des expériences menées par David Garfield, un doctorat de l'UC Berkeley. étudiant, et Nicolas Borys, un scientifique du projet Molecular Foundry, a montré un effet symbiotique entre le colorant et les métaux lanthanides dans les nanoparticules.

La proximité des colorants avec les lanthanides dans les particules augmente la présence d'un état de colorant connu sous le nom de « triplet, " qui transfère ensuite son énergie aux lanthanides plus efficacement. L'état triplet a permis une conversion plus efficace de plusieurs unités infrarouges de lumière, connu sous le nom de photons, en photons uniques de lumière visible.

Les études ont montré qu'une correspondance dans les mesures de l'émission lumineuse du colorant et de l'absorption lumineuse des particules confirmait la présence de cet état triplet, et a aidé à informer les scientifiques sur ce qui était à l'œuvre.

"Les pics (d'émission de colorant et d'absorption UCNP) correspondaient presque exactement, " a déclaré Cohen.

Ils ont ensuite découvert qu'en augmentant la concentration de métaux lanthanides dans les nanoparticules, de 22% à 52%, ils pourraient augmenter cet effet triplet pour améliorer les propriétés de conversion de lumière des nanoparticules.

"Les métaux favorisent les colorants vers leurs états triples, ce qui permet d'expliquer à la fois l'efficacité du transfert d'énergie et l'instabilité des colorants, puisque les triplets ont tendance à se dégrader dans l'air, " a déclaré Cohen.

Les nanoparticules, qui mesurent environ 12 nanomètres, ou des milliardièmes de mètres, de l'autre côté, pourrait potentiellement être appliqué à la surface des cellules solaires pour les aider à capter plus de lumière à convertir en électricité, dit Schuck.

"Les colorants agissent comme des concentrateurs solaires à l'échelle moléculaire, canaliser l'énergie des photons du proche infrarouge dans les nanoparticules, " dit Schuck. Pendant ce temps, les particules elles-mêmes sont largement transparentes à la lumière visible, donc ils laisseraient passer d'autres lumières utilisables, il a noté.

Une autre utilisation potentielle consiste à introduire les nanoparticules dans les cellules pour aider à marquer les composants cellulaires pour les études de microscopie optique. Ils pourraient être utilisés pour l'imagerie des tissus profonds, par exemple, ou en optogénétique - un domaine qui utilise la lumière pour contrôler l'activité cellulaire.

Les chercheurs doivent surmonter certains obstacles pour réaliser ces applications, Cohen a dit, car ils sont actuellement instables et ont été étudiés dans un environnement azoté pour éviter l'exposition à l'air.

Plus de R&D est nécessaire pour évaluer les revêtements protecteurs possibles pour les particules, tels que différents polymères qui servent à encapsuler les particules. "Nous avons en tête des conceptions encore meilleures pour l'avenir, " il a dit.