Dans une avance qui pourrait pousser pas cher, l'énergie solaire omniprésente au plus près de la réalité, Des chercheurs de l'Université du Michigan ont trouvé un moyen d'amener les électrons à voyager beaucoup plus loin qu'on ne le pensait auparavant dans les matériaux souvent utilisés pour les cellules solaires organiques et autres semi-conducteurs organiques.

"Pendant des années, les gens avaient traité la mauvaise conductivité des matières organiques comme un fait inévitable, et cela montre que ce n'est pas toujours le cas, " a déclaré Stephen Forrest, le Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering et Paul G. Goebel Professor of Engineering à l'U-M, qui a dirigé la recherche.

Contrairement aux cellules solaires inorganiques largement utilisées aujourd'hui, les matières organiques peuvent être faites de bon marché, matériaux flexibles à base de carbone comme le plastique. Les fabricants pourraient en produire des rouleaux dans une variété de couleurs et de configurations, être stratifié discrètement dans presque n'importe quelle surface.

La conductivité notoirement faible des matières organiques, cependant, a ralenti la recherche. Forrest pense que cette découverte pourrait changer la donne. Les résultats sont détaillés dans une étude publiée le 17 janvier dans La nature .

L'équipe a montré qu'une fine couche de molécules de fullerène - les curieuses molécules de carbone rondes également appelées Buckyballs - peut permettre aux électrons de voyager jusqu'à plusieurs centimètres à partir du point où ils sont projetés par un photon. C'est une augmentation spectaculaire; dans les cellules organiques d'aujourd'hui, les électrons ne peuvent parcourir que quelques centaines de nanomètres ou moins.

électrons, passer d'un atome à un autre, constituent le courant électrique dans une cellule solaire ou un composant électronique. Des matériaux comme le silicium, utilisé dans les cellules solaires inorganiques d'aujourd'hui et d'autres semi-conducteurs, ont des réseaux atomiques étroitement liés qui facilitent le voyage des électrons à travers le matériau.

Mais les matériaux organiques ont des liens beaucoup plus lâches entre les molécules individuelles, qui peut piéger les électrons. Cela a longtemps été un talon d'Achille du bio, mais la nouvelle découverte montre qu'il peut être possible de modifier leurs propriétés conductrices pour des applications spécifiques.

La capacité de faire bouger les électrons plus librement dans les semi-conducteurs organiques pourrait avoir des implications de grande envergure. Par exemple, la surface des cellules solaires organiques d'aujourd'hui doit être recouverte d'une électrode conductrice qui collecte les électrons au point où ils sont initialement générés. Mais les électrons en mouvement libre peuvent être collectés loin de leur point d'origine. Cela pourrait permettre aux fabricants de réduire l'électrode conductrice en une grille invisible, ouvrant la voie à des cellules transparentes qui pourraient être utilisées sur les fenêtres et autres surfaces.

"Cette découverte nous donne essentiellement un nouveau bouton à tourner lorsque nous concevons des cellules solaires organiques et d'autres dispositifs à semi-conducteurs organiques, " a déclaré Quinn Burlingame, un chercheur diplômé de l'U-M en génie électrique et en informatique et auteur de l'étude. "La possibilité de transport d'électrons à longue distance ouvre de nombreuses nouvelles possibilités dans l'architecture des dispositifs."

Burlingame dit que la découverte initiale du phénomène est survenue comme un accident alors que l'équipe expérimentait l'architecture des cellules solaires organiques dans l'espoir d'augmenter l'efficacité. En utilisant une technique courante appelée évaporation thermique sous vide, ils ont déposé une fine couche de fullerènes C60 - chacun composé de 60 atomes de carbone - au-dessus de la couche de production d'énergie d'une cellule organique, où les photons de la lumière du soleil frappent les électrons de leurs molécules associées. En plus des fullerènes, ils mettent une autre couche pour empêcher les électrons de s'échapper.

Ils ont découvert quelque chose qu'ils n'avaient jamais vu auparavant dans un organique :des électrons filaient sans entrave à travers le matériau, même en dehors de la zone de production d'électricité de la cellule. Grâce à des mois d'expérimentation, ils ont déterminé que la couche de fullerène formait ce qu'on appelle un puits d'énergie, une zone de faible énergie qui empêche les électrons chargés négativement de se recombiner avec les charges positives laissées dans la couche productrice d'énergie.

"Vous pouvez imaginer un puits d'énergie comme une sorte de canyon - les électrons y tombent et ne peuvent pas en ressortir, " a déclaré Caleb Cobourn, un chercheur diplômé du département de physique de l'UM et un auteur de l'étude. "Ils continuent donc à se déplacer librement dans la couche de fullerène au lieu de se recombiner dans la couche productrice d'énergie, comme ils le feraient normalement. C'est comme une antenne massive qui peut collecter une charge d'électrons de n'importe où dans l'appareil."

Forrest prévient que l'utilisation généralisée de la découverte dans des applications telles que les cellules solaires est théorique à ce stade. Mais, il est enthousiasmé par les implications plus larges de la découverte pour la compréhension et l'exploitation des propriétés des semi-conducteurs organiques.

"Je crois que l'énergie solaire omniprésente est la clé pour alimenter notre planète en constante réchauffement et de plus en plus peuplée, et cela signifie mettre des cellules solaires sur des objets du quotidien comme les façades et les fenêtres des bâtiments, " Forrest a déclaré. " Une technologie comme celle-ci pourrait nous aider à produire de l'électricité d'une manière peu coûteuse et presque invisible. "

L'étude s'intitule « Diffusion d'électrons à l'échelle centimétrique dans les hétérostructures organiques photoactives ». La recherche a été soutenue par le U.S. Department of Energy SunShot Program et par le Air Force Office of Scientific Research.