Pour absorber la lumière du soleil entrante, les plantes et certains types de bactéries reposent sur un complexe protéique récupérateur de lumière contenant des molécules appelées chromophores. Ce complexe canalise l'énergie solaire vers le centre de réaction photosynthétique, où il est converti en énergie chimique pour les processus métaboliques.

Inspiré par cette architecture trouvée dans la nature, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université Stony Brook (SBU) ont assemblé une structure nanohybride qui contient à la fois des matériaux d'origine biologique (biotique) et inorganique (abiotique). Ils ont combiné une protéine de récolte de lumière d'une cyanobactérie, nanocristaux semi-conducteurs (points quantiques), et un métal de transition semi-conducteur bidimensionnel (2-D) d'une seule couche atomique d'épaisseur. Décrit dans un article publié le 29 avril dans ACS Photonique —un journal de l'American Chemical Society (ACS)—cette nanostructure pourrait être utilisée pour améliorer l'efficacité avec laquelle les cellules solaires récupèrent l'énergie du soleil.

« Les meilleurs panneaux solaires d'aujourd'hui peuvent convertir près de 23 % de la lumière du soleil qu'ils absorbent en électricité, mais en moyenne, leur efficacité se situe entre 15 et 18 pour cent, " a déclaré l'auteur correspondant Mircea Cotlet, un scientifique des matériaux au sein du groupe Soft and Bio Nanomaterials du Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation utilisateur du DOE Office of Science. « Si cette efficacité peut être augmentée, plus d'électricité peut être produite. Le nanohybride biotique-abiotique assemblé montre une récolte améliorée de la lumière et une génération de porteurs de charge électrique par rapport à la structure semi-conductrice 2-D uniquement. Ces propriétés augmentent la réponse du nanohybride à la lumière lorsque la structure est incorporée dans un transistor à effet de champ (FET), une sorte de dispositif optoélectronique."

Lors de la conception du nanohybride, les scientifiques ont choisi le diséléniure de molybdène 2-D atomiquement mince (MoSe 2 ) comme plate-forme pour l'assemblage de bas en haut. Le diséléniure de molybdène est un semi-conducteur, ou un matériau dont la conductivité électrique se situe entre celle d'un conducteur régulier (peu de résistance au passage du courant électrique) et d'un isolant (haute résistance). Ils ont combiné MoSe 2 avec deux nanomatériaux puissants collecteurs de lumière :les points quantiques (QD) et la protéine allophycocyanine (APC) de cyanobactéries.

Les scientifiques ont choisi les composants en fonction de leurs propriétés de collecte de lumière et ont conçu les bandes interdites des composants (énergie minimale requise pour exciter un électron à participer à la conduction) de sorte qu'un transfert d'énergie concerté par étapes puisse être favorisé par le nanohybride de manière directionnelle. Dans l'hybride, l'énergie circule des QD excités par la lumière vers la protéine APC, puis vers MoSe 2 . Ce transfert d'énergie imite les systèmes de récolte de lumière naturelle où les chromophores de surface (dans ce cas, QDs) absorbent la lumière et dirigent l'énergie récoltée vers des chromophores intermédiaires (ici, APC) et enfin au centre de réaction (ici, MoSe 2 ).

Pour combiner les différents composants, les scientifiques ont appliqué l'auto-assemblage électrostatique, une technique basée sur les interactions entre des particules chargées électriquement (les charges opposées s'attirent, comme les charges se repoussent). Ils ont ensuite utilisé un microscope optique spécialisé pour sonder le transfert d'énergie à travers les nanohybrides. Ces mesures ont révélé que l'ajout de la couche de protéine APC augmente l'efficacité de transfert d'énergie du nanohybride avec MoSe2 monocouche de 30 %. Ils ont également mesuré la photoréponse du nanohybride incorporé dans un FET fabriqué et ont constaté qu'il présentait la plus grande réactivité par rapport aux FET ne contenant qu'un seul des composants, produisant plus du double de la quantité de photocourant en réponse à la lumière entrante.

"Plus de lumière est transférée au MoSe 2 dans l'hybride biotique-abiotique, " a déclaré le premier auteur et associé de recherche Mingxing Li, qui travaille avec Cotlet dans le groupe CFN Soft and Bio Nanomaterials. "Transfert de lumière accru combiné aux mobilités élevées des porteurs de charge dans MoSe 2 signifie que plus de porteurs seront collectés par les électrodes dans un dispositif de cellule solaire. Cette combinaison est prometteuse pour augmenter l'efficacité des appareils."

Les scientifiques ont proposé que l'ajout d'APC entre les QD et le MoSe2 crée un effet de transfert d'énergie « de type entonnoir » en raison de la façon dont l'APC s'oriente préférentiellement par rapport au MoSe. 2 .

"Nous pensons que cette étude représente l'une des premières démonstrations d'un nanohybride biotique-abiotique en cascade impliquant un semi-conducteur de métal de transition 2-D, " a déclaré Li. " Dans une étude de suivi, nous travaillerons avec des théoriciens pour mieux comprendre le mécanisme sous-jacent à ce transfert d'énergie amélioré et identifier ses applications dans la récupération d'énergie et la bioélectronique."