La nanostructure hybride améliore l'efficacité de la collecte de lumière

La nanostructure hybride améliore l'efficacité de la collecte de lumière
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IMAGE: Comme le montre l'illustration ci-dessus, la nanostructure hybride contient du molybdène disélénide (MoSe2) comme base, des points quantiques (QD) de noyau et de séléniure de cadmium (CdSe) …

Crédit: ACS Photonics

UPTON, NY – Pour absorber les rayons du soleil, les plantes et certains types de bactéries s’appuient sur un complexe protéique photogénique contenant des molécules appelées chromophores. Ce complexe achemine l’énergie solaire vers le centre de réaction photosynthétique, où elle est convertie en énergie chimique pour les processus métaboliques.

Inspirés par cette architecture naturelle, les scientifiques du laboratoire national Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) et de l’Université Stony Brook (SBU) ont assemblé une structure nanohybride contenant des matériaux biologiquement dérivés (biotiques) et inorganiques (abiotiques). Ils ont combiné une protéine de lumière provenant d'une cyanobactérie, des nanocristaux semi-conducteurs (points quantiques), et un métal de transition bidimensionnel (2D) d'une épaisseur unique. Décrit dans un article publié le 29 avril dans Photonique ACS– 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 actuels peuvent convertir près de 23% de la lumière solaire absorbée en électricité, mais leur efficacité varie en moyenne entre 15 et 18%", a déclaré l'auteur correspondant, Mircea Cotlet, spécialiste des matériaux au sein du groupe des nanomatériaux mous et bio à Brookhaven. Centre pour les nanomatériaux fonctionnels du laboratoire (CFN) – une installation utilisateur du Bureau de la science du DOE. "Si cette efficacité peut être augmentée, plus d'électricité sera générée. La nanohybride biotique-abiotique assemblée montre une récupération améliorée de la lumière et une génération de porteurs de charge électrique par rapport à la structure à semi-conducteur 2D 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 du molybdène disélénide 2-D (MoSe2), une couche atomique très fine, comme plate-forme d'assemblage ascendant. Le molybdène diséléniure est un semi-conducteur ou un matériau dont la conductivité électrique est comprise entre celle d'un conducteur régulier (faible résistance à la circulation du courant électrique) et celle d'un isolant (haute résistance). Ils ont associé MoSe2 à deux nanomatériaux puissants captant la lumière: les points quantiques (QD) et la protéine allophycocyanine (APC) des cyanobactéries.

Les scientifiques ont choisi les composants en fonction de leurs propriétés de captage de la lumière et ont mis au point des bandes interdites (énergie minimale requise pour inciter un électron à participer à la conduction) de manière à ce qu'un transfert d'énergie par étapes concerté puisse être promu de manière directionnelle à travers la nanohybride. Dans l'hybride, l'énergie circule des QD excités par la lumière vers la protéine APC, puis vers MoSe2. Ce transfert d'énergie imite les systèmes naturels de collecte de la lumière où les chromophores de surface (dans ce cas, les QD) absorbent la lumière et dirigent l'énergie capturée vers les chromophores intermédiaires (ici, APC) et finalement vers le centre de réaction (ici, MoSe2).

Pour combiner les différents composants, les scientifiques ont appliqué l'auto-assemblage électrostatique, une technique basée sur les interactions entre des particules chargées électriquement (des charges opposées s'attirent; des charges semblables 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'addition de la couche de protéine APC augmente de 30% l'efficacité du transfert d'énergie du nanohybride avec le MoSe2 monocouche. Ils ont également mesuré la photoréponse de la nanohybride incorporée dans un FET fabriqué et ont constaté que celui-ci affichait la plus grande réactivité par rapport aux FET contenant un seul des composants, produisant plus du double de la quantité de photocourant en réponse à la lumière entrante.

"Plus de lumière est transmise à MoSe2 dans l'hybride biotique-abiotique", a déclaré Mingxing Li, premier auteur et associé de recherche, qui travaille avec Cotlet au sein du groupe CFN Soft et Bio Nanomaterials. "Le transfert de lumière accru associé aux mobilités de porteurs de charge élevées dans MoSe2 signifie que davantage d'électrodes seront collectées dans un dispositif de cellule solaire. Cette combinaison est prometteuse pour améliorer l'efficacité du dispositif."

Les scientifiques ont proposé que l'ajout d'APC entre QDs et MoSe2 crée un effet de transfert d'énergie "semblable à un entonnoir" en raison de la façon dont APC s'oriente de préférence par rapport à MoSe2.

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

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Le coauteur Jia-Shiang Chen, un étudiant diplômé du SBU, a contribué à la recherche et reconnaît le soutien du programme de recherche du DOE Office of Science pour les étudiants diplômés.

Le laboratoire national de Brookhaven est financé par l’Office of Science du département américain de l’énergie. L'Office of Science est le principal partenaire de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, visitez https: //énergie.gov /science.

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