Les entreprises qui fabriquent des cellules solaires commerciales sont satisfaites si elles peuvent atteindre une efficacité de 20 % lors de la conversion de la lumière du soleil en électricité; une amélioration de même 1 pour cent est considérée comme un progrès majeur. Mais la nature, qui a eu des milliards d'années pour affiner la photosynthèse, peut faire beaucoup mieux :des micro-organismes appelés bactéries vertes du soufre, qui vivent au fond de l'océan où il n'y a pratiquement pas de lumière disponible, parviennent à récolter 98 pour cent de l'énergie de la lumière qui les atteint.

Maintenant, des chercheurs dirigés par un postdoctorant du MIT ont analysé un système artificiel qui modélise la méthode de capture de la lumière utilisée par les bactéries des grands fonds. De nouvelles avancées dans la compréhension des processus fondamentaux de collecte de la lumière pourraient donner lieu à des approches entièrement nouvelles pour capturer l'énergie solaire, disent les chercheurs. Leurs résultats ont été publiés le 1er juillet dans le journal Chimie de la nature .

Le système artificiel, décrit dans un article antérieur du postdoctorant Dörthe M. Eisele du Laboratoire de recherche en électronique du MIT et de ses collaborateurs, consiste en un système d'auto-assemblage de molécules de colorant qui forment des nanotubes à double paroi parfaitement uniformes. Ces tubes - seulement environ 10 nanomètres de large mais des milliers de fois plus longs - sont de taille similaire, forme et fonction des récepteurs naturels utilisés par les bactéries sulfureuses vertes qui collectent l'énergie des infimes quantités de lumière solaire qui pénètrent dans les profondeurs de l'océan.

"C'est l'un des grands secrets de la nature, comment récolter la lumière si efficacement, ", dit Eisele. Ses co-auteurs incluent Moungi G. Bawendi et feu Robert J. Silbey, tous deux professeurs de chimie au MIT, avec des collaborateurs de l'Université Humboldt de Berlin, l'Université du Texas à Austin et l'Université de Groningen aux Pays-Bas.

Eisele dit que ce type particulier de nanotubes est peu susceptible de trouver des applications pratiques. Plutôt, elle dit, ces expériences ont été conçues pour étudier les principes sous-jacents qui pourraient ensuite être utilisés pour trouver des matériaux optimaux pour des utilisations particulières. "Ce système est tellement intéressant parce que c'est un beau système modèle, " dit-elle, pour analyser comment ces structures réagissent à la lumière.

Contrairement aux systèmes d'auto-assemblage typiques dans lesquels chaque structure peut être un peu différente, ces tubes à double paroi, fabriqué à partir d'un colorant à base de cyanine, forment des formes et des tailles parfaitement uniformes.

Cela en fait un système modèle parfait, Eisele explique, car savoir que tous les nanotubes d'une solution sont identiques permet d'étudier leurs propriétés en masse, plutôt que d'avoir à isoler la réponse de chaque tube individuel.

Une question fondamentale à laquelle l'équipe voulait répondre était de savoir si les deux cylindres concentriques des tubes à double paroi fonctionnaient ensemble en tant que système intégré pour capturer l'énergie lumineuse, ou si chaque cylindre agissait seul.

Pour répondre à cette question, Eisele et son équipe ont conçu un moyen de désactiver l'un des deux cylindres en oxydant les molécules de la paroi externe. « La structure tubulaire est encore intacte, mais il tue la réponse optique de la paroi extérieure, donc ce qui reste est la réponse optique de la paroi intérieure, " dit-elle. « C'est une façon très simple et élégante d'isoler le spectre de la paroi intérieure. »

En comparant les réponses optiques lorsque les deux cylindres fonctionnent et lorsqu'un seul fonctionne, il est possible de déterminer le degré d'interaction entre les deux cylindres. « Quand vous regardez la dynamique de la réaction d'oxydoréduction, " Eisele dit, « vous voyez que ces deux cylindres peuvent être considérés comme deux systèmes distincts. »

Caractériser cette structure artificielle simplifiée peut permettre aux chercheurs de construire des dispositifs de collecte de lumière plus efficaces. « La nature a eu des millions d'années pour optimiser » la façon dont les organismes captent l'énergie, Eisele dit; comprendre comment il l'a fait peut conduire à de meilleurs systèmes créés par l'homme.

« Nous ne voulons pas améliorer l'efficacité des cellules solaires que nous avons maintenant, " dit-elle. « Nous voulons apprendre de la nature comment construire de tout nouveaux dispositifs de récolte de lumière. »

Grégory Scholes, le D.J. LeRoy Distinguished Professor of Chemistry à l'Université de Toronto, qui n'a pas participé à ce travail, dit, « Les chercheurs ont utilisé des expériences exquises pour tester comment les composants nanométriques de ce système interagissent après la photoexcitation.

La recherche a été soutenue par la Deutsche Forschungsgemeinschaft, l'Institut de recherche intégrative pour les sciences à Berlin, la Fondation nationale des sciences, la Fondation Alexander von Humboldt, le Département de l'Énergie Centre pour Excitonics, l'Army Research Office et la Defense Advanced Research Projects Agency.

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.