(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d'améliorer considérablement l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires en faisant appel aux services de minuscules virus pour effectuer des travaux d'assemblage détaillés au niveau microscopique.

Dans une cellule solaire, la lumière du soleil frappe un matériau de récolte de lumière, l'amenant à libérer des électrons qui peuvent être exploités pour produire un courant électrique. La nouvelle recherche du MIT, publié en ligne cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , est basé sur des découvertes selon lesquelles les nanotubes de carbone — microscopiques, cylindres creux de carbone pur - peuvent améliorer l'efficacité de la collecte d'électrons à partir de la surface d'une cellule solaire.

Tentatives antérieures d'utilisation des nanotubes, cependant, avait été contrecarré par deux problèmes. D'abord, la fabrication de nanotubes de carbone produit généralement un mélange de deux types, dont certains agissent comme des semi-conducteurs (permettant parfois de faire circuler un courant électrique, parfois pas) ou des métaux (qui agissent comme des fils, permettant au courant de circuler facilement). La nouvelle recherche, pour la première fois, ont montré que les effets de ces deux types ont tendance à être différents, parce que les nanotubes semi-conducteurs peuvent améliorer les performances des cellules solaires, mais les métalliques ont l'effet inverse. Seconde, les nanotubes ont tendance à s'agglutiner, ce qui réduit leur efficacité.

Et c'est là que les virus viennent à la rescousse. Les étudiants diplômés Xiangnan Dang et Hyunjung Yi — travaillant avec Angela Belcher, le professeur W. M. Keck d'énergie, et plusieurs autres chercheurs - ont découvert qu'une version génétiquement modifiée d'un virus appelé M13, qui infecte normalement les bactéries, peut être utilisé pour contrôler la disposition des nanotubes sur une surface, garder les tubes séparés afin qu'ils ne puissent pas court-circuiter les circuits, et en gardant les tubes séparés pour qu'ils ne s'agglutinent pas.

Le système que les chercheurs ont testé utilisait un type de cellule solaire connue sous le nom de cellules solaires à colorant, un type léger et peu coûteux où la couche active est composée de dioxyde de titane, plutôt que le silicium utilisé dans les cellules solaires conventionnelles. Mais la même technique pourrait être appliquée à d'autres types également, y compris les cellules solaires à points quantiques et organiques, disent les chercheurs. Dans leurs tests, l'ajout des structures créées par des virus a amélioré l'efficacité de conversion de puissance de 8 % à 10,6 %, soit près d'un tiers d'amélioration.

Cette amélioration spectaculaire a lieu même si les virus et les nanotubes ne représentent que 0,1 pour cent en poids de la cellule finie. « Un peu de biologie fait beaucoup de chemin, ", dit Belcher. Avec d'autres travaux, les chercheurs pensent qu'ils peuvent augmenter encore plus l'efficacité.

Les virus sont utilisés pour aider à améliorer une étape particulière du processus de conversion de la lumière du soleil en électricité. Dans une cellule solaire, la première étape consiste à ce que l'énergie de la lumière libère des électrons du matériau de la cellule solaire (généralement du silicium); alors, ces électrons doivent être canalisés vers un collecteur, à partir de laquelle ils peuvent former un courant qui s'écoule pour charger une batterie ou alimenter un appareil. Après ça, ils reviennent au matériau d'origine, où le cycle peut recommencer. Le nouveau système est destiné à améliorer l'efficacité de la deuxième étape, aider les électrons à trouver leur chemin :L'ajout des nanotubes de carbone à la cellule « fournit un chemin plus direct vers le collecteur de courant, ", dit Belcher.

Les virus remplissent en fait deux fonctions différentes dans ce processus. D'abord, ils possèdent de courtes protéines appelées peptides qui peuvent se lier étroitement aux nanotubes de carbone, les maintenir en place et les maintenir séparés les uns des autres. Chaque virus peut contenir cinq à 10 nanotubes, dont chacun est maintenu fermement en place par environ 300 molécules peptidiques du virus. En outre, le virus a été conçu pour produire une couche de dioxyde de titane (TiO2), un ingrédient clé pour les cellules solaires à colorant, sur chacun des nanotubes, mettre le dioxyde de titane à proximité des nanotubes en forme de fil qui transportent les électrons.

Les deux fonctions sont exercées successivement par le même virus, dont l'activité est «basculée» d'une fonction à l'autre en modifiant l'acidité de son environnement. Cette fonction de commutation est une nouvelle capacité importante qui a été démontrée pour la première fois dans cette recherche, dit Belcher.

En outre, les virus rendent les nanotubes solubles dans l'eau, qui permet d'incorporer les nanotubes dans la cellule solaire par un procédé à base d'eau fonctionnant à température ambiante.

Prashant Kamat, un professeur de chimie et de biochimie à l'Université Notre Dame qui a effectué des travaux approfondis sur les cellules solaires à colorant, dit que tandis que d'autres ont tenté d'utiliser des nanotubes de carbone pour améliorer l'efficacité des cellules solaires, « les améliorations observées dans les études précédentes étaient marginales, » tandis que les améliorations apportées par l'équipe du MIT à l'aide de la méthode d'assemblage de virus sont « impressionnantes ».

« Il est probable que l'assemblage de la matrice virale ait permis aux chercheurs d'établir un meilleur contact entre les nanoparticules de TiO2 et les nanotubes de carbone. Un tel contact étroit avec les nanoparticules de TiO2 est essentiel pour chasser rapidement les électrons photo-générés et les transporter efficacement vers la surface de l'électrode collectrice.

Kamat pense que le processus pourrait bien conduire à un produit commercial viable :« Des cellules solaires à colorant ont déjà été commercialisées au Japon, Corée et Taïwan, " dit-il. Si l'ajout de nanotubes de carbone via le procédé viral peut améliorer leur efficacité, « l'industrie est susceptible d'adopter de tels processus ».

Belcher et ses collègues ont déjà utilisé des versions différentes du même virus pour améliorer les performances des batteries et autres appareils, mais la méthode utilisée pour améliorer les performances des cellules solaires est assez différente, elle dit.

Parce que le processus ne ferait qu'ajouter une étape simple à un processus de fabrication de cellules solaires standard, il doit être assez facile d'adapter les installations de production existantes et doit donc pouvoir être mis en œuvre relativement rapidement, dit Belcher.