La bioélectronique ? Des bio-panneaux solaires ? Et si c’était possible.

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Israël | Science de la terre, de l’univers et de l’environnement : énergie, transports, espace, environnement
13 avril 2017

Fabriquer des composés électroniques à partir de cyanobactéries ? Construire un panneau photovoltaïque « green » ? Ces applications futuristes ne le seront bientôt plus grâce à une équipe de l’Université de Tel Aviv qui a décidé de faire rimer « bio » avec « électro ».

S’il est possible de fabriquer toutes sortes de produits à partir de biomasses (plastiques, carburants, principes actifs, additifs alimentaires, antioxydants, etc.), il existe des domaines où le diminutif « bio » est rarement associé. C’est notamment le cas de l’électronique ou du photovoltaïque. Pourtant, si on résume ces deux disciplines à la génération et la gestion de flux de charges électriques (tels que les électrons), cela est monnaie-courante dans la nature, et ce depuis longtemps. Si les plantes et les algues parviennent à capter l’énergie du rayonnement solaire via un organite présent dans leur cellule, le chloroplaste, des bactéries possédaient déjà cette capacité bien avant. C’est le cas notamment des cyanobactéries, sources d’inspiration du groupe de recherche du Dr. Chanoch Carmeli de l’Université de Tel Aviv, qui travaille sur la création de composés électroniques ou photovoltaïques à partir de biomolécules.

L’outil de travail du groupe du Dr. Carmeli est le photosystème I (ou PSI) qui joue, avec le photosystème II, un rôle clé dans la photosynthèse. PSI est un complexe enzymatique qui est capable d’effectuer un transfert de charge sous l’influence d’un rayonnement lumineux. Or ce transfert de charge peut, si placé dans un circuit adéquat, générer un courant électrique ! Pour relever ce défi, l’équipe israélienne a tout d’abord sélectionné une cyanobactérie mutante dont les PSIs, légèrement modifiés (on parlera de PSIs mutants), peuvent, une fois extraits et purifiés, être déposés en nanocouche sur divers supports tels que des métaux ou des semi-conducteurs (avec parfois l’aide de ligands). Cette étape, très sensible, a nécessité un long travail de recherche et développement à cheval entre chimie, nanotechnologie et électronique. Le prototype récemment conçu par l’élève doctorant Hani Barhom, membre de cette équipe, est une fine structure de plusieurs nanocouches qui, sous un rayonnement solaire, est capable de générer un courant électrique, comme une cellule photovoltaïque ! Son travail, bientôt publié, a permis la création d’un procédé robuste permettant le dépôt contrôlé d’un nombre choisi de fines couches de PSIs mutants sur divers supports, ainsi que la mesure du courant électrique fourni par cette cellule sous différentes intensités et types de lumière. La principale originalité de cette nouvelle cellule ? Elle est formée de multiples couches de PSIs à l’état solide, augmentant son rendement. Si, en lisant ces lignes certains s’inquiètent de la stabilité d’un tel système, qu’ils se rassurent, le prototype est toujours actif après plus d’un an à température ambiante à l’air libre.

Ces travaux sont déterminants dans le développement de futurs (bio) panneaux photovoltaïques. Néanmoins, il reste encore de nombreux points à améliorer, notamment concernant le rendement qui est inférieur aux modèles commerciaux actuels. Les résultats sont très encourageants pour un premier prototype. De plus, le principal intérêt de ce nouveau type de cellule photovoltaïque est l’usage de PSIs issus de cyanobactéries dont la culture nécessite moins de ressources et d’énergie (en plus d’être moins onéreuse) comparée aux procédés de production de silicium pur aujourd’hui utilisé dans les panneaux photovoltaïques. Et ce n’est pas tout, si les rendements sont aujourd’hui faibles, c’est principalement dû à la jonction entre les PSIs et les autres constituants de la cellule photovoltaïque car le PSI rivalise très bien avec les matériaux actuellement utilisés. Le groupe diversifie aussi ses recherches en travaillant avec des nanocristaux de PSIs et en développant de nouvelles applications électroniques ou optiques à partir de ce biomatériau.

Pour en savoir plus :
Recherche et brevets du Dr Carmeli : https://en-lifesci.tau.ac.il/profile/chanochc#anchor_publications

Remerciements à l’élève doctorant Hani Barhom pour sa précieuse aide et ses explications sur la production de cellules photovoltaïques à partir de photosystème I.

Rédacteur : Arthur Robin, doctorant à l’Université de Tel Aviv

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