S'inspirer de la photosynthèse pour produire de l'électricité : c'est une idée dans l'air pour fabriquer des cellules photovoltaïques plus vertes. Une équipe américaine vient de réussir une jolie prouesse : prélever une partie du système de photosynthèse d'une algue et l'insérer sur un semi-conducteur. Le rendement est très faible mais le procédé semble prometteur.
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De très nombreuses recherches sont menées pour développer des sources d'énergie durable exploitant la lumièrelumière solaire et la force du ventvent ou de l'eau. L'électricité produite est dite verte quand bien même la constructionconstruction des installations peut être polluante. Par exemple, la fabrication de cellules photovoltaïques est énergivore et fait appel à des composés toxiques.

La photosynthèse est une réaction biochimique produisant de l'énergieénergie chimique à partir de la lumière solaire. Cette conversion repose sur des complexes moléculaires appelés photosystèmes et composés de protéinesprotéines et de pigmentspigments, dont la chlorophyllechlorophylle. En réaction à l'absorptionabsorption de photonsphotons, ils éjectent des électronsélectrons. Voilà de l'électricité...

Cette question a probablement inspiré les travaux d'Andreas Mershin du Massachusetts Institute of Technology (MIT). En collaboration avec ses partenaires, il est parvenu à créer une cellule photovoltaïque biologique. À partir d'algues vertes et bleues, ils ont d'abord extrait des photosystèmes. Après quelques modifications, ils sont ensuite parvenus à les associer à un semi-conducteur métallique. Les électrons éjectés par les complexes moléculaires en présence de lumière sont ainsi captés par ce composé métallique et utilisés pour la production de courant. 

Ce procédé utilise des matériaux biologiques renouvelables sans nécessiter de composés chimiques toxiques ni une fabrication couteuse en énergie. Cette prouesse technologie est présentée dans la revue Nature Scientific Reports.

(a) Photoanodes composées de dioxyde de titane (épaisseur de 3,8 µm) ; (b) colonnes d'oxyde de zinc sur lesquelles se fixent les photosystèmes ; (c) représentation schématique de la disposition des complexes moléculaires d'origine biologique (PS-1) sur les tiges de zinc (<em>Zync oxide nanowire</em>) ; (d) les photosystèmes  sont enrobés par une couche de surfactant (<em>designer surfactant peptide stabilizers</em>); (e) chaque Ps-1 se compose de pigments tels que la chlorophylle (<em>Chlorophyll</em>). © Mershin <em>et al. </em>2012, <em>Nature Scientific Reports</em>

(a) Photoanodes composées de dioxyde de titane (épaisseur de 3,8 µm) ; (b) colonnes d'oxyde de zinc sur lesquelles se fixent les photosystèmes ; (c) représentation schématique de la disposition des complexes moléculaires d'origine biologique (PS-1) sur les tiges de zinc (Zync oxide nanowire) ; (d) les photosystèmes  sont enrobés par une couche de surfactant (designer surfactant peptide stabilizers); (e) chaque Ps-1 se compose de pigments tels que la chlorophylle (Chlorophyll). © Mershin et al. 2012, Nature Scientific Reports 

Panneaux photovoltaïques : alliance de l’organique et du métal

À terme, les scientifiques du projet affirment que leur système pourrait produire de l'énergie en nécessitant moins de temps, de terresterres agricoles, d'eau et de carburants que de nombreuses industries s'attachant à créer des biocarburants. La fabrication de panneaux solaires biologiques serait également bon marché et facile à mettre en place dans de nombreux laboratoires.

Concrètement, les cellules biosolaires ont vu le jour grâce à l'assemblage de composés biologiques et métalliques. Les photosystèmes P700 sont extraits d'algues puis stabilisés avec des peptides jouant un rôle de surfactantsurfactant. Ils sont ensuite mis en présence de tubes composés d'oxyde de zinczinc (ZnO) ou de dioxyde de titane (TiO2) sur lesquels ils vont s'autoassembler. Les supports ont été travaillés à l'échelle nanométrique. Ils présentent des excroissances permettant aux photosystèmes de capter la lumière avec la plus grande efficacité possible. La surface de réaction exposée à la lumière est également démultipliée grâce à cette architecture.

Malheureusement, les rendements obtenus ne permettent pas encore une exploitation commerciale. La tension engendrée est de 0,5 voltvolt contre 12 volts pour la plupart des panneaux proposés dans le commerce. La puissance électrique du système actuel atteint 81 µW par cm². Elle est bien en-deçà des 15.000 µW par cm² développés par des cellules photovoltaïques en siliciumsilicium monocristallin en condition standard. Enfin, l'intensité du courant ne s'élève qu'à 362 µA par cm2

Ce système ne semble pas exploitable dans un futur proche, mais il a le mérite de proposer une alternative verte, économique et potentiellement facile à mettre en place. Le développement de la production d'énergie électrique d'origine biologique est à suivre en espérant qu'un courant peu coûteux pourra un jour être produit de manière efficace et durable.