FR3077679A1 - PHOTOVOLTAIC CELL WITH LUMINESCENT PROTEINS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une cellule photovoltaïque (200) multi-couches comprenant : - une couche absorbeur (104) ayant un spectre d'absorption comprenant un maximum dans le domaine visible et apte à convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique ; - une couche tampon (103) au contact de la couche absorbeur de manière à réaliser une hétérojonction ; - une couche additionnelle (201) située entre l'extérieur de la cellule et la couche tampon et comprenant des protéines luminescentes ayant spectre d'absorption comprenant au moins un maximum dans le domaine ultra-violet et un spectre de réémission comprenant au moins un maximum dans le domaine visible.The invention relates to a multi-layer photovoltaic cell (200) comprising: - an absorber layer (104) having an absorption spectrum comprising a maximum in the visible range and capable of converting the light energy into electrical energy; a buffer layer (103) in contact with the absorber layer so as to produce a heterojunction; an additional layer (201) located between the outside of the cell and the buffer layer and comprising luminescent proteins having an absorption spectrum comprising at least a maximum in the ultraviolet range and a retransmission spectrum comprising at least a maximum in the visible domain.
Description
Cellule photovoltaïque avec protéines luminescentesPhotovoltaic cell with luminescent proteins
La présente invention concerne le domaine des énergies renouvelables photovoltaïques et en particulier de l’amélioration des rendements de conversion de cellules photovoltaïques.The present invention relates to the field of photovoltaic renewable energies and in particular to the improvement of the conversion yields of photovoltaic cells.
Elle trouve des applications dans les secteurs production d’énergie électrique.It finds applications in the electrical energy production sectors.
L’invention concerne les cellules photovoltaïques multi-couches, comprenant plusieurs couches minces, et en particulier les cellules CIGS pour « Copper-Indium-Gallium-Selenide » soit cuivre-indium-gallium-séléniure en français. Toutefois, l’invention n’est aucunement restreinte à une telle cellule, comme il sera compris à la lecture de ce qui suit.The invention relates to multi-layer photovoltaic cells, comprising several thin layers, and in particular CIGS cells for “Copper-Indium-Gallium-Selenide”, ie copper-indium-gallium-selenide in French. However, the invention is in no way restricted to such a cell, as will be understood on reading the following.
La Figure 1 illustre une cellule multi-couches, en particulier une cellule CGIS.Figure 1 illustrates a multi-layer cell, in particular a CGIS cell.
La cellule 100 peut comprendre des contacts métalliques 101, par exemple en nickel/aluminium, encapsulés dans une couche fenêtre 102 apte à laisser passer l’énergie lumineuse issue de l’extérieur de la cellule 100. Par exemple, la couche fenêtre peut être composée d’oxyde de zinc ZnO, ou d’oxyde de zinc intrinsèque iZnO (non dopé). Par exemple, la couche fenêtre peut être composée d’un mélange de ZnO et de iZnO. Un tel mélange permet à la fois d’être transparent et conducteur. En effet, bien que le ZnO intrinsèque ne soit pas conducteur, la conduction est permise grâce au matériau ZnO dopé en aluminium.The cell 100 can comprise metal contacts 101, for example made of nickel / aluminum, encapsulated in a window layer 102 capable of letting the light energy coming from outside the cell 100. For example, the window layer can be composed zinc oxide ZnO, or intrinsic zinc oxide iZnO (undoped). For example, the window layer can be composed of a mixture of ZnO and iZnO. Such a mixture allows both to be transparent and conductive. Indeed, although the intrinsic ZnO is not conductive, conduction is allowed thanks to the ZnO material doped with aluminum.
La cellule 100 comprend en outre une couche tampon 103, par exemple une couche de séléniure de cadmium CdS, et une couche absorbeur 104, telle qu’une couche CGIS dans le cas d’une cellule 100 CIGS.The cell 100 further comprises a buffer layer 103, for example a layer of cadmium selenide CdS, and an absorber layer 104, such as a CGIS layer in the case of a 100 CIGS cell.
La couche tampon 103 a pour rôle de former une hétérojonction avec la couche absorbeur 104, et permet en outre de passiver les états de surface du CIGS et de protéger en ouvre la surface du CIGS lors des étapes de dépôt durant la fabrication de la cellule 100.The role of the buffer layer 103 is to form a heterojunction with the absorber layer 104, and furthermore makes it possible to passivate the surface states of the CIGS and to protect the surface of the CIGS during the deposition steps during the fabrication of the cell 100. .
La couche absorbeur 104 est en outre reliée à une cathode 105, par exemple de molybdène, elle-même déposée sur une couche de support 106, telle qu’un substrat de verre 106 ayant une fonction de support dans l’empilement de couches.The absorber layer 104 is also connected to a cathode 105, for example of molybdenum, itself deposited on a support layer 106, such as a glass substrate 106 having a support function in the stack of layers.
La couche absorbeur 104 est destinée à absorber l’énergie lumineuse afin de générer un courant entre l’anode et l’électrode grâce à une jonction p-n. De tels principes sont bien connus et ne sont pas détaillés davantage dans la présente demande. La couche absorbeur 104 absorbe ainsi les photons présents dans le spectre solaire AM1.5g et une telle absorption atteint son maximum entre 500 et 1000 nm.The absorbing layer 104 is intended to absorb light energy in order to generate a current between the anode and the electrode by means of a p-n junction. Such principles are well known and are not detailed further in the present application. The absorber layer 104 thus absorbs the photons present in the solar spectrum AM 1.5 g and such absorption reaches its maximum between 500 and 1000 nm.
La caractérisation de l’efficacité d’une cellule peut être réalisée par mesure de l’efficacité quantique externe, notée EQE. La figure 2 illustre les valeurs d’EQE en fonction de la longueur d’ondes de la lumière reçue dans le cas d’une cellule CIGS selon l’art antérieur.Characterization of the efficiency of a cell can be carried out by measuring the external quantum efficiency, denoted EQE. FIG. 2 illustrates the EQE values as a function of the wavelength of the light received in the case of a CIGS cell according to the prior art.
La courbe illustrée sur la figure 2 permet de visualiser la gamme spectrale sur laquelle une cellule collecte efficacement les photons du spectre solaire pour les convertir ensuite en courant.The curve illustrated in FIG. 2 makes it possible to visualize the spectral range over which a cell efficiently collects the photons of the solar spectrum to then convert them into current.
Comme il peut être constaté sur la figure 2, une cellule CIGS selon l’art antérieur présente des lacunes en absorption dans le domaine 202 de l’infrarouge, notamment pour les longueurs d’onde supérieures à 1000 nm, et dans le domaine 201 des ultra-violet UV (notamment pour les longueurs d’onde inférieures à 450 nm).As can be seen in FIG. 2, a CIGS cell according to the prior art has absorption gaps in the range 202 of infrared, in particular for wavelengths greater than 1000 nm, and in the range 201 of UV ultraviolet (especially for wavelengths less than 450 nm).
Ces deux lacunes sont dues à des raisons distinctes, à savoir :These two shortcomings are due to separate reasons, namely:
- La couche absorbeur 104 a une absorption et une conversion de photons qui dépend de sa composition en indium et en gallium : ainsi, le séléniure d’indium de cuivre présente une bande interdite à 1,0 eV alors que le séléniure de gallium de cuivre présente une bande interdite à 1,7 eV. Dans le cas d’une cellule CIGS utilisée pour des besoins expérimentaux dans le cadre de la présente invention, la composition en indium /gallium permet d’obtenir un absorbeur dont l’énergie de bande est comprise entre 1,15 et 1,20 eV. L’efficacité thermodynamique d’une cellule solaire à simple jonction est bornée par la limite de Schockley-Queisser. Cette limite physique de 30% est atteignable dans le cas où le matériau semi-conducteur présente une énergie comprise entre 1,1 et 1,5 eV, et le matériau absorbeur limite par conséquent l’absorption des photons dans l’infrarouge, qui sont moins énergétiques ;- The absorber layer 104 has an absorption and a conversion of photons which depends on its composition into indium and gallium: thus, copper indium selenide has a band prohibited at 1.0 eV while copper gallium selenide has a band prohibited at 1.7 eV. In the case of a CIGS cell used for experimental purposes in the context of the present invention, the indium / gallium composition makes it possible to obtain an absorber whose band energy is between 1.15 and 1.20 eV . The thermodynamic efficiency of a single-junction solar cell is limited by the Schockley-Queisser limit. This physical limit of 30% is attainable in the case where the semiconductor material has an energy of between 1.1 and 1.5 eV, and the absorbing material consequently limits the absorption of photons in the infrared, which are less energetic;
- La couche tampon 103, par exemple de type CdS, peut être une fine couche de 50 nm. En outre, la couche tampon CdS présente une énergie de bande de 2,42 eV : autrement dit, la couche tampon commencera à absorber les photons à une longueur d’onde inférieure à 520 nm. Ainsi, à ces longueurs d’onde, les photons ne sont pas transmis de manière efficace vers la couche absorbeur 104. L’exemple est donné pour une couche tampon de type CdS mais le même phénomène se produit pour des couches tampon de compositions différentes.- The buffer layer 103, for example of the CdS type, can be a thin layer of 50 nm. In addition, the CdS buffer layer has a band energy of 2.42 eV: in other words, the buffer layer will begin to absorb photons at a wavelength less than 520 nm. Thus, at these wavelengths, the photons are not transmitted efficiently to the absorber layer 104. The example is given for a buffer layer of CdS type but the same phenomenon occurs for buffer layers of different compositions.
Les deux lacunes identifiées ci-dessous conduisent ainsi à une perte d’efficacité.The two shortcomings identified below thus lead to a loss of efficiency.
La présente invention vise à améliorer la situation, notamment à combler la deuxième lacune évoquée ci-dessus.The present invention aims to improve the situation, in particular to fill the second gap mentioned above.
Un premier aspect de l’invention concerne une cellule photovoltaïque multi-couches comprenant :A first aspect of the invention relates to a multi-layer photovoltaic cell comprising:
- une couche absorbeur ayant un spectre d’absorption comprenant un maximum dans le domaine visible et apte à convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique ;- an absorbing layer having an absorption spectrum comprising a maximum in the visible range and capable of converting light energy into electrical energy;
- une couche tampon au contact de la couche absorbeur de manière à réaliser une hétérojonction ;- a buffer layer in contact with the absorber layer so as to produce a heterojunction;
- une couche additionnelle située entre l’extérieur de la cellule et la couche tampon et comprenant des protéines luminescentes ayant spectre d’absorption comprenant au moins un maximum dans le domaine ultra-violet et un spectre de réémission comprenant au moins un maximum dans le domaine visible.an additional layer situated between the exterior of the cell and the buffer layer and comprising luminescent proteins having absorption spectrum comprising at least a maximum in the ultraviolet range and a re-emission spectrum comprising at least a maximum in the range visible.
Ainsi, la couche additionnelle permet de convertir l’énergie lumineuse dans les UV en énergie lumineuse dans un domaine de longueurs d’onde absorbé par la couche absorbeur. En effet, la couche tampon absorbe généralement l’énergie lumineuse dans les UV et cette énergie lumineuse est donc normalement perdue ce qui conduit à une baisse de l’efficacité de la cellule photovoltaïque.Thus, the additional layer makes it possible to convert the light energy in UV into light energy in a range of wavelengths absorbed by the absorbing layer. Indeed, the buffer layer generally absorbs light energy in UV and this light energy is therefore normally lost which leads to a decrease in the efficiency of the photovoltaic cell.
Selon un mode de réalisation, la couche absorbeur peut comprendre du cuivre, de l’indium, du gallium et du séléniure.According to one embodiment, the absorbent layer can comprise copper, indium, gallium and selenide.
La cellule est alors une cellule dite CIGS dont le spectre d’absorption atteint son maximum entre 500 et 1000 nm, et qui est donc apte à absorber les photons réémis par les protéines luminescentes de la couche additionnelle.The cell is then a so-called CIGS cell, the absorption spectrum of which reaches its maximum between 500 and 1000 nm, and which is therefore capable of absorbing the photons re-emitted by the luminescent proteins of the additional layer.
Selon un mode de réalisation, la couche tampon peut être une couche de séléniure de cadmium.According to one embodiment, the buffer layer can be a layer of cadmium selenide.
Une telle couche, nommée CdS, absorbe les photons principalement entre 300 et 410 nm, donc dans l’UV et ces photons seraient donc normalement perdus (non convertis en énergie électrique par la couche absorbeur) sans la couche additionnelle.Such a layer, called CdS, absorbs photons mainly between 300 and 410 nm, therefore in the UV and these photons would therefore normally be lost (not converted into electrical energy by the absorbing layer) without the additional layer.
La couche CdS permet par ailleurs de former une hétérojonction avec la couche absorbeur, permet de passiver les états de surface de la couche absorbeur et de protéger la surface de la couche absorbeur lors des étapes de fabrication de la cellule photovoltaïque.The CdS layer also makes it possible to form a heterojunction with the absorber layer, makes it possible to passivate the surface states of the absorber layer and to protect the surface of the absorber layer during the manufacturing steps of the photovoltaic cell.
Selon un mode de réalisation, le maximum du spectre d’absorption des protéines luminescentes peut être compris entre 300 et 410 nm.According to one embodiment, the maximum of the absorption spectrum of luminescent proteins can be between 300 and 410 nm.
Ainsi, le rendement de la cellule est photovoltaïque est améliorée, la couche additionnelle convertissant l’énergie lumineuse dans les UV en énergie lumineuse absorbable par la couche absorbeur, énergie lumineuse qui aurait sinon été absorbée par la couche tampon.Thus, the efficiency of the cell is photovoltaic is improved, the additional layer converting light energy in UV into light energy absorbable by the absorber layer, light energy which would otherwise have been absorbed by the buffer layer.
Selon un mode de réalisation, les protéines luminescentes peuvent être des protéines mTurquoise ou mTurquoise 2.According to one embodiment, the luminescent proteins can be mTurquoise or mTurquoise 2 proteins.
Ce mode de réalisation permet d’améliorer le rendement de la cellule photovoltaïque.This embodiment improves the efficiency of the photovoltaic cell.
Selon un mode de réalisation, le maximum du spectre d’absorption dans le domaine ultra-violet peut être supérieur à 20%, 40% ou 60%.According to one embodiment, the maximum of the absorption spectrum in the ultraviolet range can be greater than 20%, 40% or 60%.
Ce mode de réalisation permet d’améliorer le rendement de la cellule photovoltaïque.This embodiment improves the efficiency of the photovoltaic cell.
Selon un mode de réalisation, la couche additionnelle comprend une matrice d’hydrogel d’agarose intégrant les protéines luminescentes.According to one embodiment, the additional layer comprises an agarose hydrogel matrix integrating the luminescent proteins.
Une telle matrice est avantageuse en ce qu’il présente un indice optique de 1,34 permettant de piéger au mieux la lumière dans la couche additionnelle et d’améliorer ainsi le rendement de la cellule photovoltaïque.Such a matrix is advantageous in that it has an optical index of 1.34 making it possible to best trap the light in the additional layer and thus improve the efficiency of the photovoltaic cell.
Selon un mode de réalisation, la couche additionnelle peut avoir une épaisseur de l’ordre du micromètre.According to one embodiment, the additional layer may have a thickness of the order of a micrometer.
Selon un mode de réalisation, la couche additionnelle peut avoir un indice optique compris entre 1 et 1,9.According to one embodiment, the additional layer can have an optical index of between 1 and 1.9.
Ceci permet de piéger au mieux la lumière dans la couche additionnelle et d’améliorer ainsi le rendement de la cellule photovoltaïque.This makes it possible to best trap the light in the additional layer and thus improve the efficiency of the photovoltaic cell.
Un deuxième aspect de l’invention un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comprenant l’ajout d’une couche additionnelle sur un empilement de couches comprenant au moins une couche absorbeur ayant un spectre d’absorption comprenant un maximum dans le domaine visible et apte à convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique et une couche tampon au contact de la couche absorbeur de manière à réaliser une hétérojonction, ladite couche additionnelle située entre l’extérieur de la cellule et la couche tampon et comprenant des protéines luminescentes ayant spectre d’absorption comprenant un maximum dans le domaine ultra-violet et un spectre d’émission comprenant un maximum le domaine visible.A second aspect of the invention a method of manufacturing a photovoltaic cell comprising the addition of an additional layer on a stack of layers comprising at least one absorbing layer having an absorption spectrum comprising a maximum in the visible range and able to convert light energy into electrical energy and a buffer layer in contact with the absorbing layer so as to produce a heterojunction, said additional layer situated between the outside of the cell and the buffer layer and comprising luminescent proteins having spectrum d absorption comprising a maximum in the ultra-violet range and an emission spectrum comprising a maximum in the visible range.
Selon un mode de réalisation, le procédé peut comprendre en outre, avant l’ajout de la couche additionnelle, le traitement par UV-ozone de l’empilement de couches.According to one embodiment, the method can further comprise, before the addition of the additional layer, the UV-ozone treatment of the stack of layers.
Un tel mode de réalisation permet un dépôt homogène de la couche additionnelle sur la couche externe de l’empilement de couches.Such an embodiment allows a uniform deposition of the additional layer on the outer layer of the stack of layers.
Selon un premier mode de réalisation, la couche additionnelle peut être réalisée par solubilisation des protéines luminescentes dans une solution tampon, la couche additionnelle peut être déposée sur une couche externe de l’empilement de couches afin de former un film et le procédé peut comprendre en outre une étape de séchage à l’air libre du film formé sur la couche externe.According to a first embodiment, the additional layer can be produced by dissolving the luminescent proteins in a buffer solution, the additional layer can be deposited on an external layer of the stack of layers in order to form a film and the method can comprise in addition to a step of drying in the open air the film formed on the outer layer.
Un tel premier mode de réalisation permet de disperser de manière homogène les protéines luminescentes dans la couche additionnelle. En outre, le séchage à l’air libre permet de limiter les effets de bord rencontrés pendant un séchage sur plaque chauffante.Such a first embodiment makes it possible to homogeneously disperse the luminescent proteins in the additional layer. In addition, drying in the open air makes it possible to limit the side effects encountered during drying on a hot plate.
Selon un deuxième mode de réalisation, la couche additionnelle peut être réalisée par intégration des protéines luminescentes dans une matrice d’hydrogel d’agarose, la couche additionnelle peut être déposée sur la couche tampon afin de former un film et le procédé peut comprendre en outre une étape de refroidissement du film formé sur la couche tampon.According to a second embodiment, the additional layer can be produced by integrating the luminescent proteins into an agarose hydrogel matrix, the additional layer can be deposited on the buffer layer in order to form a film and the method can also comprise a step of cooling the film formed on the buffer layer.
Le deuxième mode de réalisation permet d’améliorer la longévité de la couche additionnelle, et le choix de l’hydrogel d’agarose permet en outre de conférer à la couche additionnelle un indice optique permettant de piéger au mieux la lumière, améliorant ainsi le rendement de la cellule photovoltaïque.The second embodiment makes it possible to improve the longevity of the additional layer, and the choice of the agarose hydrogel also makes it possible to confer on the additional layer an optical index making it possible to best trap the light, thus improving the yield. of the photovoltaic cell.
En complément, le procédé comprend une étape de préparation de la matrice d’hydrogel d’agarose sur plaque chauffante à une température supérieure à 50°C, par exemple à 60°C, puis l’intégration des protéines luminescentes dans la matrice d’hydrogel d’agarose à température ambiante, inférieure à 50°C.In addition, the method comprises a step of preparing the agarose hydrogel matrix on a hot plate at a temperature above 50 ° C, for example at 60 ° C, then the integration of the luminescent proteins into the matrix. agarose hydrogel at room temperature, below 50 ° C.
Ceci permet de faciliter l’intégration des protéines luminescentes sans dégrader leurs propriétés luminescentes.This facilitates the integration of luminescent proteins without degrading their luminescent properties.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels:Other characteristics and advantages of the invention will appear on examining the detailed description below, and the attached drawings in which:
- la figure 1 illustre une cellule photovoltaïque selon l’art antérieur;- Figure 1 illustrates a photovoltaic cell according to the prior art;
- la figure 2 illustre un spectre d’absorption de la cellule photovoltaïque de la figure 1 ;- Figure 2 illustrates an absorption spectrum of the photovoltaic cell of Figure 1;
- la figure 3 illustre une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation ;- Figure 3 illustrates a photovoltaic cell according to one embodiment;
- la figure 4a présente un diagramme d’absorption de la protéine mTurquoise ;- Figure 4a shows an absorption diagram of the mTurquoise protein;
- la figure 4b présente un diagramme de réémission de la protéine mTurquoise ;- Figure 4b shows a re-emission diagram of the mTurquoise protein;
- la figure 4c illustre le processus de désexcitation radiative autonome pour la fluorescence ;- Figure 4c illustrates the process of autonomous radiative de-excitation for fluorescence;
- la figure 5 est un diagramme illustrant les étapes d’un procédé de fabrication selon des modes de réalisation de l’invention.- Figure 5 is a diagram illustrating the steps of a manufacturing process according to embodiments of the invention.
La Figure 3 illustre une cellule photovoltaïque 200 selon un mode de réalisation de l’invention.Figure 3 illustrates a photovoltaic cell 200 according to an embodiment of the invention.
La structure illustrée reprend la cellule CIGS illustrée en figure 1, appelée ci-après « empilement de couches », sur laquelle une couche additionnelle 201 est ajoutée. Toutefois, l’invention s’applique à n’importe quel empilement de couches comprenant au moins une couche absorbeur et une couche tampon au contact de la couche absorbeur de manière à réaliser une hétérojonction. Comme indiqué ci-avant, la couche tampon 103 tend à absorber l’énergie lumineuse dans le domaine des UV, énergie lumineuse qui n’atteint par conséquent pas la couche absorbeur 104.The structure illustrated takes up the CIGS cell illustrated in FIG. 1, hereinafter called “stack of layers”, on which an additional layer 201 is added. However, the invention applies to any stack of layers comprising at least one absorbing layer and a buffer layer in contact with the absorbing layer so as to produce a heterojunction. As indicated above, the buffer layer 103 tends to absorb light energy in the UV range, light energy which consequently does not reach the absorbing layer 104.
La couche additionnelle est déposée sur une couche externe de l’empilement de couches. Dans l’exemple spécifique de la figure 3, la couche externe est la couche fenêtre 102.The additional layer is deposited on an outer layer of the stack of layers. In the specific example of FIG. 3, the outer layer is the window layer 102.
La présente invention propose de tirer parti de la propriété luminescente, en particulier fluorescente, de certaines protéines, comme détaillé ci-après.The present invention proposes to take advantage of the luminescent, in particular fluorescent, property of certain proteins, as detailed below.
De manière courante, les protéines luminescentes, en particulier fluorescentes, sont utilisées dans le domaine de la biologie. Leur propriété de fluorescence est exploitée pour le marquage cellulaire et la détection d’anomalie. Afin de réaliser ce marquage, les protéines fluorescentes peuvent être attachées à des anticorps, des protéines, des acides aminés ou peptides afin d’établir le sondage spécifique et afin de détecter l’élément cellulaire cible.In general, luminescent proteins, in particular fluorescent proteins, are used in the field of biology. Their fluorescence property is exploited for cell labeling and abnormality detection. In order to carry out this labeling, the fluorescent proteins can be attached to antibodies, proteins, amino acids or peptides in order to establish the specific probe and in order to detect the target cellular element.
La protéine fluorescente est alors attachée chimiquement ou biologiquement spécifiquement à une région ou à un groupe fonctionnel sur la molécule cible.The fluorescent protein is then attached chemically or biologically specifically to a region or a functional group on the target molecule.
L’un des marquages les plus connus et communs est réalisé avec la protéine fluorescente verte naturelle, ou GFP pour « Green Fluorescent Protein » en anglais.One of the most well-known and common markings is made with natural green fluorescent protein, or GFP for "Green Fluorescent Protein" in English.
Cette unique application de la fluorescence des protéines dans la biologie est utilisée à plusieurs niveaux : la microscopie de fluorescence et la macrophotographie.This unique application of protein fluorescence in biology is used on several levels: fluorescence microscopy and macro photography.
La fluorescence peut également être étudiée à l’échelle macroscopique, par introduction de la protéine fluorescente dans des êtres vivants (poissons, souris, etc). Une telle modification du code génétique a été réalisée pour diverses motivations : artistique, repérage de la pollution de l’eau, compréhension de la narcolepsie, etc.Fluorescence can also be studied on a macroscopic scale, by introducing the fluorescent protein into living beings (fish, mice, etc.). Such a modification of the genetic code was carried out for various motivations: artistic, identification of water pollution, understanding of narcolepsy, etc.
L’application des protéines fluorescentes est toutefois réduite à l’heure actuelle à ces deux méthodes de marquage par fluorescence.However, the application of fluorescent proteins is currently limited to these two fluorescent labeling methods.
La présente invention prévoit ainsi une nouvelle utilisation de ces protéines afin de provoquer un « glissement spectral » (« downshifting » en anglais) de la longueur d’onde de photons incidents de la cellule photovoltaïque dans le but d’augmenter le rendement de la cellule.The present invention thus provides for a new use of these proteins in order to cause a “spectral shift” (“downshifting” in English) of the wavelength of incident photons of the photovoltaic cell in order to increase the efficiency of the cell. .
A ce jour, seuls des colorants organiques ou des « quantum dots » sont utilisés, mais qui ne sont ni performants, ni économiques, voire qui sont composés d’éléments toxiques.To date, only organic dyes or "quantum dots" are used, but which are neither efficient nor economical, or even which are composed of toxic elements.
L’invention prévoit d’utiliser, dans la couche additionnelle 201, des protéines luminescentes absorbant dans un domaine proche du domaine d’absorption de la couche tampon 103 (le domaine des UV notamment).The invention provides for using, in the additional layer 201, luminescent proteins absorbing in a domain close to the absorption domain of the buffer layer 103 (the UV domain in particular).
On entend par « absorbant dans un domaine donné » une protéine dont le spectre d’absorption comprend au moins un maximum dans le domaine donné.By "absorbing in a given domain" is meant a protein whose absorption spectrum includes at least a maximum in the given domain.
On entend par maximum, tout maximum au moins local, voire global. Un maximum local est une valeur du spectre d’absorption correspondant à une longueur d’onde Àmax pour lequel on peut définir un intervalle ouvert, dans lequel Àmax est inclus et dans lequel la valeur du spectre d’absorption correspondant à Àmax est supérieure ou égale à n’importe quelle valeur du spectre d’absorption dans cet intervalle.By maximum, we mean at least local, even global maximum. A local maximum is a value of the absorption spectrum corresponding to a wavelength λ max for which an open interval can be defined, in which λ max is included and in which the value of the absorption spectrum corresponding to λ max is greater or equal to any value of the absorption spectrum in this interval.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le maximum du spectre d’absorption dans le domaine UV est supérieur à 20%, de préférence à 40%, et de préférence à 60%.According to one embodiment of the invention, the maximum of the absorption spectrum in the UV range is greater than 20%, preferably 40%, and preferably 60%.
En outre, le maximum du spectre d’absorption des protéines luminescentes peut être avantageusement compris entre 300 et 410 nm. De manière avantageuse, l’ensemble du spectre d’absorption des protéines luminescentes sur le domaine 300 et 410 nm est supérieur à 20%, voire à 40% ou à 60%.In addition, the maximum of the absorption spectrum of luminescent proteins can advantageously be between 300 and 410 nm. Advantageously, the entire absorption spectrum of luminescent proteins over the 300 and 410 nm range is greater than 20%, or even 40% or 60%.
La protéine luminescente selon l’invention est également choisie de manière à réémettre dans un domaine dans lequel la couche absorbeur 104 absorbe la lumière, tel que qu’un domaine inclus dans le domaine visible notamment. On entend par « réémettre dans un domaine donné », une protéine luminescente dont le spectre de réémission comprend au moins un maximum dans le domaine donné. On appelle généralement « domaine visible », le domaine de longueurs d’onde entre 400 et 800 nanomètres.The luminescent protein according to the invention is also chosen so as to re-emit in a domain in which the absorbing layer 104 absorbs light, such as a domain included in the visible domain in particular. The term "reemit in a given domain" means a luminescent protein whose reemission spectrum includes at least a maximum in the given domain. Generally called "visible range", the range of wavelengths between 400 and 800 nanometers.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le maximum du spectre de réémission dans le domaine visible est supérieur à 20%, de préférence à 40%, et de préférence à 60%.According to one embodiment of the invention, the maximum of the reemission spectrum in the visible range is greater than 20%, preferably 40%, and preferably 60%.
Selon l’invention, les protéines luminescentes sont comprises dans une couche additionnelle 201 illustrée sur la figure 3, la couche supplémentaire étant située entre l’extérieur de la cellule et la couche tampon 103, sur une couche externe de l’empilement de couches (couche fenêtre 102 illustrée sur la figure 3), de manière à recevoir les photons incidents avant qu’ils ne parviennent à la couche tampon 103. L’énergie lumineuse dans les UV est ainsi convertie dans le domaine visible qui n’est pas absorbé par la couche tampon 103, mais qui est bien absorbé par la couche absorbeur 104, résultant ainsi en un gain de rendement énergétique.According to the invention, the luminescent proteins are included in an additional layer 201 illustrated in FIG. 3, the additional layer being located between the outside of the cell and the buffer layer 103, on an external layer of the stack of layers ( window layer 102 illustrated in FIG. 3), so as to receive the incident photons before they reach the buffer layer 103. The light energy in UV is thus converted into the visible range which is not absorbed by the buffer layer 103, but which is well absorbed by the absorbent layer 104, thus resulting in a gain in energy efficiency.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, les protéines suivantes peuvent être utilisées dans la cellule photovoltaïque :According to an advantageous embodiment of the invention, the following proteins can be used in the photovoltaic cell:
- mTurquoise ; et/ou- mTurquoise; and or
- mTurquoise 2. La protéine mTurquoise 2 est obtenue par modification génétique de la protéine mTurquoise, et permet d’élever le rendement de conversion énergétique de 84% à 93%.- mTurquoise 2. The mTurquoise 2 protein is obtained by genetic modification of the mTurquoise protein, and makes it possible to raise the energy conversion efficiency from 84% to 93%.
La figure 4a illustre le spectre d’absorption de la protéine mTurquoise. Comme il peut être constaté, la protéine mTurquoise absorbe dans le domaine des UV référencé 401 et également dans le domaine référencé 402 de 400 àFigure 4a illustrates the absorption spectrum of the mTurquoise protein. As can be seen, the mTurquoise protein absorbs in the UV range referenced 401 and also in the range referenced 402 from 400 to
475 nm, mais n’absorbe pas dans le domaine intermédiaire référencé 403 entre 300 et 400 nm.475 nm, but does not absorb in the intermediate domain referenced 403 between 300 and 400 nm.
En particulier, la protéine mTurquoise absorbe entre 250 et 300 nm, avec un maximum 404 (local et global) vers 280 nm.In particular, the mTurquoise protein absorbs between 250 and 300 nm, with a maximum 404 (local and global) around 280 nm.
La Figure 4b illustre le spectre de réémission de la protéine mTurquoise. Comme il peut être constaté, la protéine mTurquoise réémet dans un domaine 405 appartenant au domaine du visible avec un maximum 406 (local et global) vers 475 nm.Figure 4b illustrates the re-emission spectrum of the mTurquoise protein. As can be seen, the mTurquoise protein re-emits in a 405 domain belonging to the visible domain with a maximum 406 (local and global) around 475 nm.
Un tel mécanisme de transfert de l’énergie est illustré en référence à la figure 4c. Un photon capté dans les UV est réémis à une énergie moindre, et donc à une longueur d’onde supérieure, dans le domaine visible notamment.Such an energy transfer mechanism is illustrated with reference to Figure 4c. A photon captured in UV is re-emitted at a lower energy, and therefore at a higher wavelength, in the visible range in particular.
La protéine mTurquoise a été décrite ici, mais l’invention s’applique à toute autre protéine présentant des caractéristiques permettant d’absorber l’énergie lumineuse dans un domaine de longueurs d’onde qui aurait sinon été absorbé par la couche tampon103, et qui réémet dans un domaine de longueurs d’onde absorbées par la couche absorbeur 104.The mTurquoise protein has been described here, but the invention applies to any other protein having characteristics making it possible to absorb light energy in a wavelength range which would otherwise have been absorbed by the buffer layer 103, and which re-emits in a range of wavelengths absorbed by the absorber layer 104.
La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comprenant l’ajout de la couche additionnelle 201 sur l’empilement de couches illustré sur la figure 1, afin d’obtenir la cellule illustrée en référence à la figure 3. Comme indiqué, la couche additionnelle 201 comprend des protéines luminescentes présentant les caractéristiques décrites ci-dessus.The present invention further relates to a method of manufacturing a photovoltaic cell comprising the addition of the additional layer 201 on the stack of layers illustrated in FIG. 1, in order to obtain the cell illustrated with reference to FIG. 3. As indicated, the additional layer 201 comprises luminescent proteins having the characteristics described above.
L’invention prévoit en particulier deux modes de réalisation distincts pour un tel procédé de fabrication.The invention provides in particular two separate embodiments for such a manufacturing process.
Une étape 501, commune à ces deux modes de réalisation, consiste à obtenir un empilement de couches comprenant au moins une couche absorbeur ayant un spectre d’absorption comprenant un maximum dans le domaine visible et apte à convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique et une couche tampon au contact de la couche absorbeur de manière à réaliser une hétérojonction. Il peut par exemple s’agir d’un empilement de couches bien connu tel que la cellule de l’art antérieur illustrée en référence à la figure 1. En particulier, la couche tampon 103 peut être une couche CdS et la couche absorbeur 104 peut être une couche CIGS.A step 501, common to these two embodiments, consists in obtaining a stack of layers comprising at least one absorbing layer having an absorption spectrum comprising a maximum in the visible range and capable of converting light energy into electrical energy and a buffer layer in contact with the absorber layer so as to produce a heterojunction. It can for example be a well-known stack of layers such as the cell of the prior art illustrated with reference to FIG. 1. In particular, the buffer layer 103 can be a CdS layer and the absorber layer 104 can be a CIGS layer.
L’étape 502 optionnelle et commune aux deux modes de réalisation sera décrite ultérieurement.The optional step 502 common to the two embodiments will be described later.
Selon un premier mode de réalisation, le procédé comprend une étape 503 de solubilisation des protéines luminescentes dans une solution tampon aqueuse.According to a first embodiment, the method comprises a step 503 of solubilization of the luminescent proteins in an aqueous buffer solution.
A une étape 504, la solution est déposée directement sur une couche externe de l’empilement de couches (telle que la couche fenêtre 102 illustrée sur les figures 1 et 3) de manière à former un film luminescent qui constitue la couche additionnelle 201. Une telle étape est appelée « drop coating » en anglais et permet de disperser les protéines luminescentes de manière homogène sur la cellule photovoltaïque.In a step 504, the solution is deposited directly on an external layer of the stack of layers (such as the window layer 102 illustrated in FIGS. 1 and 3) so as to form a luminescent film which constitutes the additional layer 201. A such a step is called "drop coating" in English and allows the luminescent proteins to be dispersed homogeneously on the photovoltaic cell.
A une étape 505, le film luminescent sèche à l’air libre, ce qui permet de limiter les effets de bords comparativement à un séchage sur plaque chauffante.In a step 505, the luminescent film dries in the open air, which makes it possible to limit the edge effects compared to drying on a hot plate.
Toutefois, afin d’assurer une meilleure protection de la surface de la cellule photovoltaïque, l’invention prévoit un deuxième mode de réalisation pour le procédé de fabrication.However, in order to ensure better protection of the surface of the photovoltaic cell, the invention provides a second embodiment for the manufacturing process.
Selon le deuxième mode de réalisation, à une étape 506, les protéines luminescentes sont intégrées dans une matrice d’indice optique optimal de manière à garder une transparence suffisante afin de laisser passer les photons du domaine visible. Par exemple, l’indice optique est préférentiellement compris entre 1 et 1,9, permettant ainsi de mieux piéger la lumière dans la matrice.According to the second embodiment, in a step 506, the luminescent proteins are integrated into an optimal optical index matrix so as to keep sufficient transparency in order to allow the photons of the visible domain to pass through. For example, the optical index is preferably between 1 and 1.9, thus making it possible to better trap the light in the matrix.
A cet effet, la matrice peut être un hydrogel d’agarose, d’indice optique n = 1,34, dans laquelle sont dispersées les protéines. Par exemple, la concentration massique en protéines peut être de 1 % dans le gel d’agarose.For this purpose, the matrix can be an agarose hydrogel, with an optical index n = 1.34, in which the proteins are dispersed. For example, the mass concentration of protein can be 1% in agarose gel.
A une étape 506, l’hydrogel d’agarose peut être solubilisé sur plaque chauffante, par exemple à 60°C.In a step 506, the agarose hydrogel can be solubilized on a hot plate, for example at 60 ° C.
En effet, l’agarose nécessite des températures de chauffe adaptées pour pouvoir y intégrer les protéines luminescentes. La recette pour préparer la matrice agarose/solution tampon est connue et n’est pas détaillée davantage.Indeed, agarose requires suitable heating temperatures to be able to integrate luminescent proteins. The recipe for preparing the agarose / buffer solution matrix is known and is not detailed further.
La préparation de l’hydrogel est donc adaptée dans le but d’éviter de dénaturer la protéine, de dégrader ses propriétés physiques de fluorescence et d’inhiber ainsi la propriété du film.The preparation of the hydrogel is therefore suitable in order to avoid denaturing the protein, degrading its physical fluorescence properties and thus inhibiting the property of the film.
A une étape 507, la protéine est ajoutée au mélange, mais en dehors de la plaque chauffante, à température ambiante, notamment à une température inférieure à 50°C. Le mélange est réalisé à chaud afin d’éviter que l’hydrogel ne prenne en masse. Puis le mélange, une fois homogène, est ajouté sur une surface externe de l’empilement de couches, à une étape 508. La cellule 200 est ensuite refroidie à une étape 509.In a step 507, the protein is added to the mixture, but outside the heating plate, at room temperature, in particular at a temperature below 50 ° C. The mixing is carried out hot to prevent the hydrogel from solidifying. Then the mixture, once homogeneous, is added to an external surface of the stack of layers, in a step 508. The cell 200 is then cooled in a step 509.
En outre, en référence à l’étape 502 optionnelle et commune aux deux modes de réalisation, l’interface entre la couche externe, telle que la couche fenêtre 102, de l’empilement de couches 102 à 106, et le film luminescent, avec ou sans agarose, permet préférentiellement un dépôt homogène du film. A cet effet, la couche externe de l’empilement de couches peut être rendue hydrophile afin d’améliorer la mouillabilité de sa surface. L’étape 502 prévoit à cet effet un traitement UV-Ozone de la couche externe de l’empilement de couches. Le traitement UV-Ozone peut être appliqué environ une heure à température ambiante afin d’assurer une baisse de la tension de surface permettant un dépôt homogène du film luminescent. Sans cette étape 502, des phénomènes de pertes à l’interface entre le film luminescent 201 et la couche externe de l’empilement de couches peuvent dégrader l’efficacité optique de la couche additionnelle 201.In addition, with reference to the optional step 502 common to the two embodiments, the interface between the external layer, such as the window layer 102, of the stack of layers 102 to 106, and the luminescent film, with or without agarose, preferably allows a uniform deposition of the film. To this end, the outer layer of the stack of layers can be made hydrophilic in order to improve the wettability of its surface. Step 502 provides UV-Ozone treatment of the outer layer of the stack of layers for this purpose. The UV-Ozone treatment can be applied for about an hour at room temperature to ensure a drop in surface tension allowing a uniform deposition of the luminescent film. Without this step 502, loss phenomena at the interface between the luminescent film 201 and the outer layer of the stack of layers can degrade the optical efficiency of the additional layer 201.
En outre, la couche additionnelle 201 a de préférence une épaisseur de l’ordre du micromètre afin de réduire les pertes optiques dues aux effets de guide d’onde vers les bords. En effet, cela permet d’éviter une perte de luminescence par les bords de la couche additionnelle par réflexion totale interne et de concentrer la fluorescence sur l’intérieur de la cellule 200 par réémission isotrope de l’énergie absorbée.In addition, the additional layer 201 preferably has a thickness of the order of a micrometer in order to reduce the optical losses due to the waveguide effects towards the edges. Indeed, this makes it possible to avoid a loss of luminescence by the edges of the additional layer by total internal reflection and to concentrate the fluorescence on the inside of the cell 200 by isotropic re-emission of the absorbed energy.
Ce deuxième mode de réalisation permet notamment de surmonter les problèmes identifiés ci-après et fournissent des moyens optimisés pour une intégrer les protéines dans la couche additionnelle :This second embodiment makes it possible in particular to overcome the problems identified below and provides optimized means for integrating the proteins into the additional layer:
- les protéines luminescentes présentent une sensibilité à l’air, ce qui signifie qu’elles peuvent se dégrader par exposition à l’air et perdre leurs propriétés de glissement spectral. Un tel problème de longévité de la protéine se retrouve d’ailleurs dans les mesures par microscopie en biologie, qui témoignent d’une dégradation rapide. L’utilisation d’un système optique telle qu’une matrice piégeant les protéines permet d’éviter tout contact externe de la protéine et permet d’imperméabiliser les protéines à l’air ;- luminescent proteins are sensitive to air, which means that they can degrade on exposure to air and lose their spectral sliding properties. Such a problem with the longevity of the protein is also found in microscopic measurements in biology, which show rapid deterioration. The use of an optical system such as a matrix trapping the proteins makes it possible to avoid any external contact of the protein and makes it possible to waterproof the proteins in air;
- le choix du matériau polymère pour la matrice est réalisé en fonction de son hydro-solubilité car la protéine de mTurquoise n’est soluble que dans l’eau. L’agarose, de par ses propriétés de solubilité permet d’y intégrer la protéine de manière homogène. Le gel d’agarose luminescent sous forme liquide est déposé directement sur la cellule pour y former un film (la couche additionnelle 201), et une telle matrice a donc été choisie pour ne pas dégrader les propriétés optiques des protéines luminescentes ;- the choice of the polymer material for the matrix is made according to its water-solubility because the mTurquoise protein is only soluble in water. Agarose, due to its solubility properties, makes it possible to integrate the protein in a homogeneous manner. The luminescent agarose gel in liquid form is deposited directly on the cell to form a film (the additional layer 201), and such a matrix has therefore been chosen so as not to degrade the optical properties of the luminescent proteins;
- la matrice d’agarose présente un indice de réfraction compris entre 1 et 1,9 et répond ainsi aux exigences de piégeage de lumière dans la couche additionnelle luminescente, ce qui permet de collecter les photons dans la couche additionnelle et de transmettre ensuite la lumière vers les autres couches de la cellule photovoltaïque.- the agarose matrix has a refractive index of between 1 and 1.9 and thus meets the requirements for trapping light in the additional luminescent layer, which makes it possible to collect the photons in the additional layer and then transmit the light to the other layers of the photovoltaic cell.
Claims (14)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR1851023A FR3077679A1 (en) | 2018-02-07 | 2018-02-07 | PHOTOVOLTAIC CELL WITH LUMINESCENT PROTEINS |
Applications Claiming Priority (2)
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| FR1851023 | 2018-02-07 | ||
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Family Applications (1)
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| FR1851023A Withdrawn FR3077679A1 (en) | 2018-02-07 | 2018-02-07 | PHOTOVOLTAIC CELL WITH LUMINESCENT PROTEINS |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20090084963A1 (en) * | 2007-10-01 | 2009-04-02 | David, Joseph And Negley | Apparatus and methods to produce electrical energy by enhanced down-conversion of photons |
| US20150144191A1 (en) * | 2012-05-16 | 2015-05-28 | Novopolymers N.V | Polymer sheet |
-
2018
- 2018-02-07 FR FR1851023A patent/FR3077679A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KARIN NIENHAUS ET AL: "Fluorescent proteins for live-cell imaging with super-resolution", CHEMICAL SOCIETY REVIEWS, vol. 43, no. 4, 1 January 2014 (2014-01-01), UK, pages 1088 - 1106, XP055502083, ISSN: 0306-0012, DOI: 10.1039/C3CS60171D * |
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