Cellules solaires à base de biomasse : le principe de la photosynthèse utilisé pour la production d’électricité

Des chercheurs de l’Université de la Ruhr à Bochum (Rhénanie du Nord-Westphalie) ont développé une cellule solaire à base biologique. Les deux protéines, photosystème 1 et 2 [1], qui sont responsables de la photosynthèse au sein des plantes, ont été intégrées dans des molécules complexes développées par les chercheurs, ce qui assure un courant d’électrons efficace. Les résultats des scientifiques ont été publiés dans la revue « Angewandte Chemie ».

 

Dans les feuilles des plantes, les photosystèmes 1 et 2 utilisent l’énergie de la lumière pour convertir le dioxyde de carbone en oxygène et en biomasse. Les chercheurs de Bochum ont mis au point une cellule solaire biologique qui, elle, produit de l’électricité à la place de la biomasse. Les chercheurs ont isolé les deux photosystèmes à partir de cyanobactéries d’algues bleues vivant dans une source d’eau chaude au Japon. En raison de ce mode de vie, ces photosystèmes sont beaucoup plus stables que des protéines comparables provenant d’espèces ne se reproduisant pas dans des conditions environnementales extrêmes. Par ailleurs, les scientifiques ont élaboré des matériaux de conduction électronique complexes, dits « hydrogels rédox ». Dans ces matériaux, les chercheurs ont introduit les photosystèmes afin de les connecter aux électrodes des cellules photovoltaïques.

 

La cellule en question est composée de deux chambres. Dans la première, la protéine photosystème 2 soustrait des électrons aux molécules de l’eau, ce qui génère de l’oxygène. Les électrons se déplacent à travers le matériau hydrogel rédox jusqu’à l’électrode de la première chambre, qui est reliée à l’électrode de la seconde chambre. L’électrode de la seconde chambre conduit les électrons à travers un autre hydrogel rédox jusqu’au photosystème 1. Là, les électrons sont transférés à l’oxygène, ce qui génère de l’eau. Les photosystèmes n’accomplissent ce travail que s’ils sont activés par l’énergie lumineuse. Sous un flux de lumière, de l’électricité circule donc constamment dans le système fermé.

 

Afin de convertir l’énergie solaire en énergie électrique, il doit y avoir une différence de potentiel entre les deux électrodes. Cette différence est ici atteinte en utilisant des hydrogels rédox ayant différents potentiels. La différence de potentiel détermine la tension et donc la puissance de la cellule photovoltaïque biologique. Actuellement, la cellule solaire biologique atteint des puissances de quelques nanowatts par centimètre carré. « Ce système peut servir de modèle pour le développement de systèmes cellulaires semi-artificiels et naturels, dans lesquels la photosynthèse serait utilisée pour la production de vecteurs énergétiques secondaires tels que l’hydrogène à partir de lumière « , explique M. Rögner, chercheur à l’Université de la Ruhr.

L’Agence allemande de moyens pour la recherche (DFG) a financé ces travaux dans le cadre du cluster d’excellence RESOLV, et l’Union européenne dans le cadre des programmes « CyanoFactory » et  » COST Action COST TD1102 Phototech ».

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[1] Un photosystème est un ensemble formé par des protéines et des pigments – dont la chlorophylle – qui se trouve dans les membranes thylacoïdales des cyanobactéries et des chloroplastes dans les cellules végétales. Les photosystèmes interviennent dans les mécanismes de la photosynthèse en absorbant les photons de la lumière. Il existe deux photosystèmes qui interviennent en cascade dans la photosynthèse : les photosystèmes 1 et 2 (Wikipédia).

 

Pour en savoir plus, contacts :

– Wolfgang Schuhmann, chercheur à la chaire de chimie analytique, d’électro-analytique et d’analyse sensorielle, faculté de chimie et de biochimie, Université de la Ruhr de Bochum – tél. : +49 234 32 26200 – email : wolfgang.schuhmann@rub.de
– Matthias Rögner, chercheur à la chaire de biochimie des plantes, faculté de biologie et de biotechnologie, Université de la Ruhr de Bochum – tél. : +49 234 32 23634 – email : Matthias.Roegner@rub.de

 

Sources :

– « Solarzelle auf Bio-Basis – RUB-Forscher erzeugen Strom statt Biomasse mit Fotosynthese treibenden Proteinen », communiqué de presse de l’Université de la Ruhr de Bochum – 20/11/2013 – http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2013/pm00309.html.de
– « Biosolarzelle – Energie aus Blaualgen », article paru dans la version papier du Süddeutsche Zeitung – 22/11/2013

 

Rédacteurs :

Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/