Les scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie sont désormais capables de capturer le moment en moins d'un trillionième de seconde où une particule de lumière frappe une cellule solaire et devient de l'énergie, et décrire pour la première fois la physique du porteur de charge et du mouvement des atomes.

La génération et la dissociation de paires d'électrons et de trous liés, à savoir les excitons, sont des processus clés dans les technologies des cellules solaires et photovoltaïques, pourtant, il est difficile de suivre leur dynamique initiale et leur cohérence électronique.

En utilisant la spectroscopie basse fréquence résolue en temps dans la région spectrale térahertz, les chercheurs ont exploré les photo-excitations d'une nouvelle classe de matériaux photovoltaïques appelés pérovskites aux halogénures organométalliques. Les organométalliques sont des matériaux miracles pour les dispositifs de récolte de lumière et de transport électronique, et ils combinent le meilleur des deux mondes :les performances de conversion d'énergie élevées des dispositifs photovoltaïques inorganiques traditionnels, avec les coûts matériels économiques et les méthodes de fabrication des versions organiques.

"Ces appareils sont si nouveaux et si uniques que le mécanisme par lequel une particule de lumière, ou photon, convertit en porteurs de charge et comment ils se déplacent de manière concertée pour la conversion d'énergie n'est pas bien compris, et pourtant ce sont les processus les plus fondamentaux dans les technologies des cellules solaires et photovoltaïques, " a déclaré Jigang Wang, un scientifique du laboratoire Ames et professeur agrégé de physique à l'Iowa State University. « Pourquoi ce matériau est-il si distinct ? C'est la grande question de la communauté scientifique, et cela a conduit à une fièvre de recherche et de publication. »

Les chercheurs du laboratoire Ames voulaient savoir non seulement comment la génération et la dissociation des paires d'électrons et de trous liés, à savoir les excitons, s'est produit dans le matériel, ils voulaient découvrir les voies quantiques et l'intervalle de temps de cet événement.

"Si vous regardez le processus naturel, en photosynthèse, c'est un processus extrêmement efficace dans certaines molécules biologiques, donc c'est aussi très cohérent. Nous voyons une chose similaire dans un système de laser artificiel; un laser oscille selon un modèle d'onde fixe, " a déclaré Wang. " Si nous pouvons mesurer une telle mémoire dans le transport de charge et la migration d'énergie dans ces matériaux, nous pouvons le comprendre et le contrôler, et ont le potentiel de les améliorer en apprenant de Mère Nature."

Les multimètres conventionnels pour mesurer les états électriques dans les matériaux ne fonctionnent pas pour mesurer les excitons, qui sont des quasiparticules électriquement neutres sans courant nul. Les techniques de spectroscopie térahertz ultrarapide ont fourni une sonde sans contact capable de suivre leurs structures internes, et quantifier l'événement photon-exciton avec une résolution temporelle meilleure qu'un trillionième de seconde.

Wang a attribué l'importance de la découverte aux contributions de chercheurs de plusieurs domaines d'expertise du laboratoire Ames. "Cela n'a été possible qu'avec la collaboration d'experts en conception et fabrication de matériaux, théorie du calcul, et spectroscopie, ", a-t-il déclaré. " Disposer de ces capacités en un seul endroit est ce qui fait du laboratoire Ames l'un des endroits les plus tournés vers l'avenir dans ce type de recherche sur les matériaux photoniques. "

La recherche est discutée plus en détail dans un article, « instantanés térahertz ultrarapides des états excitoniques de Rydberg et de la cohérence électronique dans une pérovskite aux halogénures organométalliques », écrit par Liang Luo, Hommes longs, Zhaoyu Liu, Yaroslav Moudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Parc Joong M., Ruth Shinar, Joseph Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, et Jigang Wang; et publié dans Communication Nature .