Face au changement climatique et aux besoins de la réforme énergétique, il est devenu particulièrement important d'augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires organiques. Dans un processus connu sous le nom de "fission singulet", un photon excite simultanément deux électrons. Si cet effet peut être exploité, il pourrait bien être possible d'augmenter considérablement la puissance générée par les cellules solaires. Des physiciens et chimistes de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) collaborant à un projet international conjoint avec la Northwestern University aux États-Unis ont réussi à déterminer toutes les phases intermédiaires décisives du processus de fission singulet et ont réussi à décrire le mécanisme en détail pour la première fois. Les résultats ont été publiés dans la principale revue spécialisée Communication Nature .
Les molécules stimulées par la lumière atteignent un niveau d'excitation plus élevé; cela signifie que l'énergie correspondante peut être utilisée dans des cellules solaires organiques pour générer un courant électrique. Lorsqu'une particule légère entre en collision et est absorbée par une molécule, il est possible que le surplus d'énergie créé dans cette molécule puisse stimuler un électron dans une seconde molécule à proximité immédiate. Par conséquent, ces deux molécules contiendraient un électron dans un état d'excitation plus élevé. Ce processus est appelé fission singulet (SF) et il pourrait, dans le meilleur des cas, conduire à une augmentation de 50% des performances des cellules solaires. Cependant, l'énergie générée n'est pas retenue par les molécules pour toujours et les molécules finiront par revenir à leur état antérieur. Le principe de SF est connu depuis 50 ans, mais son mécanisme exact n'est pas encore entièrement compris. C'est pourquoi les chercheurs basés à Erlangen ont analysé de près chaque phase intermédiaire entre la stimulation de la molécule et le retour à l'état d'origine.
Deux méthodes utilisées pour identifier les phases individuelles
En collaboration avec des chercheurs internationaux, l'équipe de la FAU dirigée par le professeur Dr. Dirk M. Guldi (titulaire de la chaire de chimie physique I) a utilisé deux méthodes différentes pour identifier les phases individuelles. Comme tous les processus qui se produisent à l'intérieur d'une molécule après son excitation se déroulent à des vitesses très élevées, des méthodes spectroscopiques doivent être utilisées pour fournir des informations résolues dans le temps sur les phases individuelles suivant la stimulation.
En utilisant la spectroscopie, les chercheurs ont d'abord examiné comment les propriétés d'absorption des molécules changeaient pendant la phase de désactivation. Certaines phases de transition dites intermédiaires laissent derrière elles des « empreintes digitales » qui permettent de les identifier clairement. Quelques intermédiaires, cependant, ont des propriétés d'absorption identiques, c'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser une seconde méthode d'analyse - en l'occurrence la spectroscopie par résonance de spin électronique. C'est parce que certains des intermédiaires diffèrent en ce qui concerne le spin de leurs électrons stimulés. En utilisant ces deux méthodes en tandem, l'équipe FAU a réussi à identifier tous les intermédiaires et à développer un modèle standardisé de ce qui se passe dans la SF. Les chercheurs espèrent que les résultats de leurs travaux permettront d'adopter une approche plus ciblée de la conception de molécules, ce qui rendra possible la production d'une cellule solaire fonctionnant sur la base du principe de la fission singulet.
