Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère de l'Énergie ont découvert que les semi-conducteurs à nanotubes de carbone à paroi unique pourraient être favorables aux systèmes photovoltaïques, car ils peuvent potentiellement convertir la lumière du soleil en électricité ou en combustibles sans perdre beaucoup d'énergie.
La recherche s'appuie sur les travaux de Rudolph Marcus, lauréat du prix Nobel, qui a développé un principe fondamental de la chimie physique qui explique la vitesse à laquelle un électron peut se déplacer d'un produit chimique à un autre. La formule Marcus, cependant, a rarement été utilisé pour étudier le transfert d'électrons photoinduit pour les semi-conducteurs organiques émergents tels que les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) qui peuvent être utilisés dans les dispositifs PV organiques.
Dans les appareils photovoltaïques organiques, après l'absorption d'un photon, les charges (électrons et trous) doivent généralement être séparées à travers une interface afin qu'elles puissent vivre suffisamment longtemps pour être collectées sous forme de courant électrique. L'événement de transfert d'électrons qui produit ces charges séparées s'accompagne d'une perte d'énergie potentielle car les molécules impliquées doivent réorganiser structurellement leurs liaisons. Cette perte est appelée énergie de réorganisation, mais les chercheurs du NREL ont découvert que peu d'énergie était perdue lors de l'association de semi-conducteurs SWCNT avec des molécules de fullerène.
"Ce que nous trouvons dans notre étude, c'est que ce système particulier - les nanotubes avec des fullerènes - ont une énergie de réorganisation exceptionnellement faible et les nanotubes eux-mêmes ont probablement très, très faible énergie de réorganisation, " a déclaré Jeffrey Blackburn, scientifique senior au NREL et co-auteur de l'article "Tuning the drive force for exciton dissociation in single-walled carbon nanotube heterojunctions".
L'article paraît dans le nouveau numéro de la revue Chimie de la nature . Ses autres co-auteurs sont Rachelle Ihly, Kévin Mistry, Andrew Ferguson, Abdias Reid, et Garry Rumbles de NREL, et Olga Boltalina, Tyler Clikeman, Bryon Larson, et Steven Strauss de la Colorado State University.
Les dispositifs PV organiques impliquent une interface entre un donneur et un accepteur. Dans ce cas, le SWCNT a servi de donateur, car il a donné un électron à l'accepteur (ici, le fullerène). Les chercheurs du NREL se sont stratégiquement associés à des collègues de la Colorado State University pour tirer parti de l'expertise de chaque institution dans la production de donneurs et d'accepteurs avec des niveaux d'énergie bien définis et hautement réglables :donneurs SWCNT semi-conducteurs au NREL et accepteurs de fullerène au CSU. Ce partenariat a permis aux scientifiques du NREL de déterminer que l'événement de transfert d'électrons n'était pas accompagné d'une perte d'énergie importante associée à la réorganisation, ce qui signifie que l'énergie solaire peut être récoltée plus efficacement. Pour cette raison, Les semi-conducteurs SWCNT pourraient être favorables aux applications photovoltaïques.
