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

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 lumièrelumière, et d'autre part, des électronsélectrons présents à la surface d'un matériau conducteur (par exemple de l'or) en contact avec un milieu diélectriquediélectrique (comme l'airair). 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 lithographielithographie ferroélectrique, un matériaumatériau plasmoniqueplasmonique qui est composé de nanoparticules d’or de taille déterminée et de moléculesmolécules photosensibles de porphyrineporphyrine, 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 mouvementsmouvements 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 nanoparticulesnanoparticules, de leurs tailles et du champ électriquechamp 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 plasmonsplasmons. 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 applicationsapplications. 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.