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La plasmonique, ou comment exploiter l’énergie solaire autrement ?

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La plasmonique peut être utilisée pour produire de l'électricité en exploitant l'énergie solaire. Basé sur l'utilisation de nanoparticules d'or et de porphyrine, le procédé serait d'ailleurs particulièrement efficace, et donc prometteur.

En faisant varier la taille et la disposition des nanoparticules d'or (grosses billes) et des molécules de porphyrine, les chercheurs de l'université de Pennsylvanie savent faire varier la photoconductivité du matériau plasmonique qu'ils ont conçu. © Université de Pennsylvanie

Depuis quelques années, la plasmonique est de plus en plus présentée comme une discipline d'avenir dans plusieurs domaines de l'électronique, mais pas seulement. Elle vise à tirer profit de l'interaction résonnante obtenue sous certaines conditions entre d'une part, un rayonnement électromagnétique tel la lumière, et d'autre part, des électrons présents à la surface d'un matériau conducteur (par exemple de l'or) en contact avec un milieu diélectrique (comme l'air). Dans ce contexte, le groupe de recherche de Dawn Bonnell, de l'université de Pennsylvanie (États-Unis), cherche à exploiter ce phénomène pour produire de l'électricité.

Ces scientifiques ont conçu puis testé en 2010, au moyen de la lithographie ferroélectrique, un matériau plasmonique qui est composé de nanoparticules d’or de taille déterminée et de molécules photosensibles de porphyrine, selon un motif bien précis. Ils ont alors constaté l'apparition d'un courant qu'ils ont lié à l'excitation, par la lumière, d'électrons présents dans des plasmons. Il s'agit de mouvements oscillatoires collectifs d'électrons à la surface du matériau conducteur, qui sont comparables à des vagues. Le courant s'est alors propagé en fonction du motif créé par les nanoparticules, de leurs tailles et du champ électrique régnant dans le milieu environnant.

Mais si un courant a bien été observé, aucun lien ferme n'a pu être établi entre la présence des excitons et l'existence des plasmons. Après tout, les électrons en mouvement peuvent très bien avoir été fournis par la porphyrine. De même, l'effet observé pourrait dépendre du champ électrique et de la concentration de la lumière qu'il occasionnerait, ce qui fausserait les résultats. Pour lever ces doutes, la même équipe vient de publier, dans la revue ACS Nano, les résultats de tests complémentaires. Oui, l'énergie solaire peut être exploitée par la plasmonique, et d'ailleurs bien plus efficacement qu'avec les autres systèmes.

La plasmonique aurait de nombreuses applications possibles en optoélectronique (photodiodes, liaisons par fibres optiques, etc.) mais aussi en photovoltaïque. © Greens MPs, Flickr, cc by nc nd 2.0

L’énergie solaire 3 à 10 fois mieux exploitée avec la plasmonique

Pour percer les secrets du courant induit, les chercheurs ont construit de nouvelles nanostructures plasmoniques en prenant soin de changer les composants utilisés, la taille des particules d'or, celle des molécules de porphyrine, ou encore l'espace séparant les nanoparticules. Ces variations n'ont pas été opérées au hasard, puisqu'elles devaient permettre d'exclure les autres hypothèses pouvant expliquer la production d'un courant, ce qu'elles ont fait. Ainsi, les électrons en mouvement proviennent bien des plasmons.

Cette découverte pourrait avoir d'importantes conséquences dans les filières de l'optoélectronique et du solaire photovoltaïque. En effet, la lumière serait trois à dix fois mieux exploitée par cette branche de la plasmonique, par rapport aux filières utilisant la photoexcitation « conventionnelle ». Le système a également l'avantage d'être facilement adaptable à différentes applications. En effet, il suffit de faire varier la taille et la disposition des particules pour changer la longueur de l'onde lumineuse à laquelle le nanomatériau réagit.

Voilà donc de quoi améliorer les performances des transducteurs assurant le fonctionnement des systèmes de communication par fibres optiques, par exemple. Dans le domaine du solaire photovoltaïque, des cellules bien plus efficaces que les actuelles pourraient également être produites, de quoi améliorer la compétitivité. En attendant, les chercheurs imaginent déjà une peinture qui pourrait être appliquée sur un ordinateur portable... qu'elle alimenterait en présence de lumière.

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