(Phys.org)—La dissipation et la décohérence sont généralement considérées comme nuisibles à l'efficacité des cellules solaires, mais dans un nouvel article, des scientifiques ont montré que ces effets rendent paradoxalement la durée de vie des excitons dans les nanotubes de carbone semi-conducteurs 50 fois plus longue qu'auparavant, ce qui conduit à une efficacité globale plus élevée. Les résultats fournissent de nouvelles lignes directrices pour l'exploration de nouveaux matériaux photovoltaïques qui peuvent offrir des rendements étonnamment élevés.

Les scientifiques, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, et Masatoshi Imada à l'Université de Tokyo (Yamada est actuellement à l'Université d'Osaka), ont publié un article sur l'amélioration contre-intuitive de la durée de vie des excitons dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Le principe d'une meilleure efficacité par dissipation d'énergie et décohérence a déjà été inféré par le processus de photosynthèse au niveau des chloroplastes, " ont dit les auteurs Phys.org . "Toutefois, c'est resté comme de la spéculation jusqu'à maintenant."

Comme l'expliquent les chercheurs, comprendre cette amélioration nécessite une compréhension microscopique de la façon dont l'énergie est convertie de la lumière du soleil en électricité - ou, en termes de particules, des photons aux excitons, ces derniers sont des états liés d'un électron et d'un trou d'électron.

Dans ce processus de conversion d'énergie, il y a généralement un compromis en ce qui concerne le taux d'absorption des photons du matériau photovoltaïque. Un taux d'absorption élevé est bénéfique pour la première étape lorsque les excitons sont générés à partir de photons entrants, mais nuisible dans une étape ultérieure lorsque les électrons et les trous d'électrons doivent être séparés à des électrodes différentes. Malheureusement, avant que cette séparation de charge puisse se produire, le taux d'absorption élevé provoque la recombinaison rapide d'une plus grande partie des excitons en photons, qui sont rejetés dans l'environnement.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont montré qu'il existe un moyen de récolter les bénéfices d'un taux d'absorption élevé sans en payer le prix plus tard, car la recombinaison des excitons peut être supprimée par - assez étonnamment - la dissipation et la décohérence. Normalement, ces deux effets sont considérés comme nuisibles à l'efficacité photovoltaïque :la dissipation d'énergie signifie qu'une partie de l'énergie est perdue dans l'environnement; et en raison de la décohérence, la cohérence quantique entre les photons et les excitons qui aide à promouvoir la génération d'excitons perd sa quantacité et devient classique.

Malgré ces inconvénients, les chercheurs ont montré ici qu'une certaine quantité de dissipation, combinée à une coexistence optimale de cohérence et de décohérence, peut augmenter la durée de vie de l'exciton afin qu'il ait suffisamment de temps pour se séparer en un électron et un trou avant que la recombinaison ne se produise.

"Normalement, le processus de séparation prend beaucoup plus de temps que le processus de recombinaison, " ont expliqué les auteurs. " Par conséquent, nous devons allonger la durée de vie des excitons pour attendre que le processus de séparation fonctionne."

Pour faire ça, le mécanisme transforme des « excitons brillants » à courte durée de vie en « excitons sombres » à durée de vie plus longue, " qui vivent assez longtemps pour être séparés en un électron et un trou sans succomber à la recombinaison. La clé de cette transformation est que la dissipation et la décohérence imposent une transformation quantique-classique souhaitable qui rend ce processus irréversible :un exciton sombre ne peut pas être retransformé comme les chercheurs l'ont expliqué, comprendre cela n'a pas été facile à faire.

"Le processus de croisement quantique-classique accompagné de dissipation est au cœur de problèmes difficiles à N corps hors équilibre, et le résoudre nécessite de développer un outil de calcul efficace avec une nouvelle formulation théorique, ", ont déclaré les auteurs. "Après avoir résolu l'équation maîtresse quantique formulée, le principe d'optimiser la décohérence et la dissipation pour une meilleure efficacité a été établi dans le présent travail. Il a renversé la notion de bon sens selon laquelle une meilleure efficacité devrait être recherchée dans des matériaux avec un meilleur «rendement quantique» qui ont un taux de photoluminescence plus élevé. Cela nous donne de nouvelles lignes directrices. »

Comme les scientifiques l'ont expliqué, une partie de la raison pour laquelle l'avantage de suppression de recombinaison de la dissipation et de la décohérence est passé inaperçu jusqu'à présent est que le mécanisme provoque paradoxalement une diminution de la photoluminescence, ou émission lumineuse, de sorte qu'un matériau avec ces effets semblerait à première vue peu prometteur en tant qu'appareil photovoltaïque. Cependant, la diminution de la photoluminescence est due au fait que le mécanisme convertit les excitons brillants (qui émettent de la lumière) en excitons sombres (qui n'en émettent pas). Ainsi, même si des excitons plus sombres rendent le matériau sombre, ce sont eux qui permettent au matériau de convertir la lumière en électricité avec un rendement élevé.

« À l'étape suivante, nous devons de toute urgence clarifier comment la séparation de l'exciton en un électron et un trou se produit avec leur transport vers les électrodes opposées pour générer une force électromotrice, à condition que leur recombinaison en photon soit supprimée dans le présent mécanisme, ", ont déclaré les auteurs. "Cela nécessite un processus d'évolution temporelle beaucoup plus long et complexe. Une autre direction de recherche est bien sûr de concevoir une cellule solaire avec une meilleure efficacité en utilisant les principes et directives actuels. Cela peut être fait pour les nouveaux candidats de matériaux."

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