Les physiciens ont créé une « catapulte » électronique qui déplace les particules à une vitesse « extraordinaire »

Les vibrations moléculaires peuvent « catapulter » des électrons à travers les matériaux solaires en quadrillions de seconde – beaucoup plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant, selon une nouvelle étude.

Les résultats pourraient aider les scientifiques à trouver des moyens plus efficaces de convertir l’énergie solaire en électricité, selon l’étude publiée le 5 mars dans la revue Communications naturelles.

« Nous observons effectivement les électrons migrer sur la même horloge que les atomes eux-mêmes », co-auteur de l’étude Pratyush Ghoshun chercheur qui étudie la spectroscopie ultrarapide à l’Université de Cambridge, a déclaré dans un communiqué déclaration.

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Les molécules organiques deviennent solaires

Organique cellules solaires utiliser des molécules à base de carbone, plutôt que du silicium, pour convertir la lumière du soleil en électricité. En théorie, les cellules solaires organiques pourraient fournir cette électricité à moindre coût que les cellules solaires conventionnelles, mais elles sont beaucoup moins efficaces.

Dans une cellule solaire organique typique, un donneur d’électrons et un accepteur d’électrons sont pris en sandwich entre deux électrodes conductrices. Lorsque la lumière frappe la cellule, elle génère un « exciton« , une paire électron-trou. Les excitons se divisent à l’interface entre le donneur et l’accepteur, générant de l’électricité.

Pour obtenir un transfert de charge rapide à l’interface et limiter la perte d’énergie, les molécules donneuses et acceptrices ont généralement un fort couplage électronique, ou un chevauchement entre leurs états électroniques, ce qui permet aux charges de se déplacer facilement entre les molécules. Ils présentent également souvent une grande différence d’énergie entre eux, mais cela limite la tension disponible depuis l’appareil.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont observé un transfert de charge ultrarapide à la jonction entre le donneur d’électrons et l’accepteur d’électrons dans une cellule solaire organique, sans avoir besoin de se conformer à aucune de ces contraintes. L’équipe a utilisé une courte impulsion laser pour exciter le donneur d’électrons, un polymère appelé TS-P3, puis a utilisé un autre laser pour mesurer l’évolution du système pendant le transfert de charge.

Ce transfert de charge s’est produit en 18 femtosecondes, soit à peu près aussi vite qu’une molécule individuelle vibre. Quelques autres systèmes sans forces motrices importantes présentent un transfert de charge supérieur à 100 à 200 femtosecondes, mais la plupart prennent dix à mille fois plus longtemps.

« Voir cela se produire à cette échelle de temps au sein d’une seule vibration moléculaire est extraordinaire », a déclaré Ghosh dans le communiqué.

Une « catapulte moléculaire »

Ce calendrier similaire n’était pas une coïncidence. Dans une deuxième série d’expériences laser, l’équipe a découvert que les vibrations dans la molécule donneuse du polymère lançaient un électron à travers la jonction vers une molécule acceptrice. Lorsque l’électron est arrivé, il a déclenché des vibrations superposées dans la molécule acceptrice. Ce chevauchement a permis au transfert de charge de se produire beaucoup plus rapidement que prévu, et sans nécessiter un couplage fort ou une grande différence d’énergie.

« Au lieu de dériver de manière aléatoire, l’électron est lancé en une seule rafale cohérente », a déclaré Ghosh dans le communiqué. « La vibration agit comme une catapulte moléculaire. Les vibrations n’accompagnent pas seulement le processus, elles le conduisent activement. »

Les résultats aident à expliquer les processus qui contrôlent la vitesse de transfert de charge et à établir de nouvelles stratégies pour concevoir des cellules et des matériaux solaires organiques plus efficaces, ont écrit les chercheurs dans l’étude.

« Au lieu d’essayer de supprimer le mouvement moléculaire, nous pouvons désormais concevoir des matériaux qui l’utilisent, transformant les vibrations d’une limitation en un outil », co-auteur de l’étude Akshay Raophysicien à Cambridge, a déclaré dans le communiqué.