Les cellules solaires de nouvelle génération fabriquées à partir de composés organiques sont très prometteuses pour répondre aux futurs besoins énergétiques, mais les chercheurs s'efforcent toujours d'acquérir une compréhension approfondie des matériaux impliqués - y compris l'efficacité avec laquelle ils convertissent la lumière en charge mobile, connu sous le nom de photocapacité.

Un groupe de recherche Cornell dirigé par John Marohn, professeur au Département de chimie et de biologie chimique, a proposé une méthode unique pour enregistrer et mesurer la charge mobile induite par la lumière - à des longueurs nanométriques et à des échelles de temps nanosecondes - à différentes zones d'un matériau de cellule solaire hétérogène.

Leur approche implique un microcantilever chargé, qui subit un léger décalage de phase d'oscillation à la suite d'une interaction avec un matériau électriquement chargé à proximité. Marohn compare la technique à la façon dont une horloge peut être affectée par une charge électrique, où la différence ne peut pas être vue en temps réel mais l'effet de la charge est évident lorsque vous comparez cette horloge à une autre non affectée.

"Les horloges tournent toutes les deux une fois par heure, " Marohn a dit, "mais on avancera légèrement du fait de l'interaction avec la charge. Et en comparant les deux horloges, vous pouvez voir que celui-ci a pris un petit angle supplémentaire."

Leur papier, "Transitoires de photocapacité microseconde observés en utilisant un microcantilever chargé comme intégrateur mécanique à porte, " a été publié le 9 juin dans Avancées scientifiques . Les collaborateurs de Marohn étaient les doctorants Ryan Dwyer et Sarah Nathan, qui partagent le crédit d'auteur principal.

Le groupe a déposé une demande de protection par brevet pour la technique qu'il a développée pour ce travail – la microscopie à force électrique à déclenchement de phase (pk-EFM) – auprès du Center for Technology Licensing de Cornell.

L'une des inefficacités des matériaux organiques des cellules solaires à laquelle Marohn et son groupe s'attaquent est la recombinaison. Lorsque la lumière du soleil frappe le matériau, il crée des charges libres (électrons chargés négativement et trous chargés positivement) qui se transforment en courant électrique. Mais toutes ces charges gratuites ne s'échappent pas de la cellule et ne se transforment pas en courant; ceux qui ne se transforment pas en courant se recombinent, le sous-produit étant la chaleur.

La capacité de "voir" - ou, plus précisément, mesure – la génération de charges et la recombinaison suite à un sursaut de lumière ont été l'impulsion du groupe derrière le développement de pk-EFM. Un porte-à-faux conducteur est placé près d'un film semi-conducteur organique; une impulsion de tension est appliquée au cantilever, tandis qu'une impulsion lumineuse soigneusement chronométrée est appliquée à l'échantillon.

La fréquence d'oscillation du cantilever est légèrement décalée par les interactions électrostatiques avec les charges mobiles dans l'échantillon. Ces interactions entraînent un déphasage, ou "phase kick" comme l'appelle le groupe. Ce déphasage persiste longtemps (près d'une seconde) et est donc relativement facile à mesurer avec précision.

Les chercheurs étudient ce déphasage en fonction du délai d'une nanoseconde entre les impulsions lumineuses et les impulsions de tension. De cette façon, les chercheurs sont capables de déduire indirectement ce qui est arrivé aux charges à l'échelle de la nanoseconde sans avoir à observer la charge directement, en temps réel.

"Ce que nous voulions, c'était une façon de voir, dans ces minuscules régions où se concentrent différentes molécules, comment les charges se recombinent dans les différentes régions de l'échantillon, " a déclaré Marohn. "Nous essayons de regarder des choses à la fois très rapides et très petites."

Les travaux du groupe tentent de sonder plus profondément la photocapacité des matériaux organiques en vrac qui ont déjà été examinés à l'aide de la microscopie à force électrique résolue en temps. Les travaux futurs se concentreront sur l'obtention d'une résolution spatiale et temporelle encore meilleure dans l'espoir de déterminer finalement quelle combinaison de matériaux est optimale pour une énergie solaire efficace.

"Les cellules solaires fonctionnent bien, et nous ne comprenons pas vraiment comment ils fonctionnent, " dit Marohn. " Il semble que, si vous compreniez vraiment comment ils fonctionnaient, vous pourriez les rendre beaucoup mieux. Et c'est une façon d'essayer de comprendre cela."