En quelques années, les habitants des villages reculés du monde en développement peuvent être en mesure de fabriquer leurs propres panneaux solaires, à petit prix, en utilisant des déchets agricoles autrement sans valeur comme matière première.

C'est la vision du chercheur du MIT Andreas Mershin, dont les travaux paraissent cette semaine dans la revue en libre accès Rapports scientifiques . Le travail est une extension d'un projet commencé il y a huit ans par Shuguang Zhang, chercheur principal et directeur associé au Center for Biomedical Engineering du MIT. Zhang était l'auteur principal du nouvel article avec Michael Graetzel de l'École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse.

Dans son œuvre originale, Zhang a pu enrôler un complexe de molécules connu sous le nom de photosystème-I (PS-I), les minuscules structures au sein des cellules végétales qui effectuent la photosynthèse. Zhang et ses collègues ont dérivé le PS-I de plantes, l'a stabilisé chimiquement et a formé une couche sur un substrat de verre qui pourrait, comme une cellule photovoltaïque conventionnelle, produire un courant électrique lorsqu'il est exposé à la lumière.

Mais ce premier système avait quelques inconvénients. Son assemblage et sa stabilisation nécessitaient des produits chimiques coûteux et un équipement de laboratoire sophistiqué. De plus, la cellule solaire résultante était faible :son efficacité était de plusieurs ordres de grandeur trop faible pour être d'aucune utilité, ce qui signifie qu'il devait être dynamité avec un laser haute puissance pour produire du courant.

Maintenant, Mershin dit que le processus a été simplifié au point que pratiquement n'importe quel laboratoire pourrait le reproduire - y compris les laboratoires scientifiques des collèges ou même des lycées - permettant aux chercheurs du monde entier de commencer à explorer le processus et à apporter de nouvelles améliorations. L'efficacité du nouveau système est de 10, 000 fois plus que dans la version précédente - bien qu'en convertissant seulement 0,1 pour cent de l'énergie solaire en électricité, il doit encore être encore décuplé pour devenir utile, il dit.

La clé pour parvenir à cette énorme amélioration de l'efficacité, Mershin explique, trouvait un moyen d'exposer au soleil beaucoup plus de complexe PS-I par surface de l'appareil. Les travaux antérieurs de Zhang produisaient simplement une fine couche plate du matériau; L'inspiration de Mershin pour la nouvelle avancée était des pins dans une forêt.

Mershin, chercheur au MIT Center for Bits and Atoms, remarqué que tandis que la plupart des pins avaient des troncs nus et un dais de branches seulement au sommet, quelques-uns avaient de petites branches tout le long du tronc, capter toute lumière du soleil qui ruisselle d'en haut. Il a décidé de créer une forêt microscopique sur une puce, avec PS-I enduisant ses "arbres" de haut en bas.

Transformer cet aperçu en un dispositif pratique a pris des années de travail, mais à la fin, Mershin a pu créer une minuscule forêt de nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) ainsi qu'une nanostructure de dioxyde de titane (TiO2) semblable à une éponge recouverte du matériau collecteur de lumière dérivé de bactéries. Les nanofils ont non seulement servi de structure de support pour le matériau, mais aussi comme fils pour transporter le flux d'électrons générés par les molécules jusqu'à la couche de support de matériau, à partir de laquelle il pourrait être connecté à un circuit. "C'est comme une nanoforêt électrique, " dit-il.

En prime, l'oxyde de zinc et le dioxyde de titane - l'ingrédient principal de nombreux écrans solaires - absorbent très bien la lumière ultraviolette. C'est utile dans ce cas car les ultraviolets ont tendance à endommager PS-I, mais dans ces structures, cette lumière dommageable est absorbée par la structure de support.

Mershin pense que parce que lui et ses collègues ont maintenant abaissé la barrière à l'entrée pour poursuivre les travaux sur ces matériaux, les progrès vers l'amélioration de leur efficacité devraient être rapides. Finalement, une fois que l'efficacité atteint 1 ou 2 pour cent, il dit, ce sera assez bon pour être utile, parce que les ingrédients sont si bon marché et le traitement si simple.

« Vous pouvez utiliser n'importe quoi de vert, même l'herbe coupée » comme matière première, il dit - dans certains cas, déchets que les gens paieraient autrement pour les emporter. Alors que des centrifugeuses étaient utilisées pour concentrer les molécules PS-I, l'équipe a proposé un moyen d'atteindre cette concentration en utilisant des membranes peu coûteuses pour la filtration. Aucune condition de laboratoire particulière n'est nécessaire, Mershin dit :« Ça peut être très sale et ça marche toujours, à cause de la façon dont la nature l'a conçu. La nature travaille dans des environnements sales - c'est le résultat de milliards d'expériences sur des milliards d'années.

Parce que le système est si bon marché et simple, il espère que cela deviendra un "moyen de fournir de l'électricité de faible technologie à des personnes qui n'ont jamais été considérées comme des consommateurs ou des producteurs de technologie d'énergie solaire". "une feuille d'instructions de dessin animé, sans mots. » Le seul ingrédient à acheter serait des produits chimiques pour stabiliser les molécules PS-I, qui pourrait être emballé à peu de frais dans un sac en plastique.

Essentiellement, Mershin dit, en quelques années un villageois dans une région éloignée, l'emplacement hors réseau pourrait « prendre ce sac, mélangez-le avec n'importe quoi de vert et peignez-le sur le toit" pour commencer à produire de l'électricité, qui pourraient alors recharger des téléphones portables ou des lanternes. Aujourd'hui, la source d'éclairage la plus largement utilisée dans de tels endroits est les lanternes à kérosène - "la plus chère, la forme d'éclairage la plus malsaine qui soit, il dit. « L'éclairage nocturne est le moyen numéro un pour sortir de la pauvreté, " ajoute-t-il, car il permet aux personnes qui travaillent dans les champs toute la journée de lire le soir et de s'instruire.

Babak Parviz, professeur agrégé de génie électrique à l'Université de Washington spécialisé dans la bionanotechnologie, dit qu'il s'agit « d'un article très excitant et d'une très belle étape vers l'intégration de biomolécules pour la construction de cellules solaires. Cela montre une première étape très prometteuse et créative vers la construction de cellules photovoltaïques organiques qui peuvent utiliser des noyaux produits biologiquement (naturellement) ». "Des travaux supplémentaires sur le terrain peuvent peut-être améliorer la stabilité et les performances de ces appareils."

La recherche a été financée en partie par une subvention sans restriction d'Intel Corp., et comprenait également des chercheurs de l'Université du Tennessee.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.