Les dispositifs de nouvelle génération basés sur des matériaux moléculaires ont le potentiel d'utiliser efficacement la lumière du soleil pour produire de l'électricité ou entraîner des réactions chimiques. Contrairement aux cellules solaires commerciales, où l'absorption de la lumière génère directement une charge qui peut être extraite sous forme d'électricité, l'absorption de la lumière par les matériaux moléculaires crée des états énergétiques non chargés appelés excitons. L'astuce pour fabriquer un appareil efficace est de convertir efficacement les excitons en charge. Cette étude a découvert un nouveau mécanisme pour créer une charge à partir d'excitons. En suivant des excitons dans un matériau moléculaire modèle, une équipe a découvert que les excitons à plus faible énergie produits profondément dans la masse jouent un rôle plus important dans la génération de charge qu'on ne le pensait auparavant.

L'étude de l'équipe montre qu'un domaine auparavant négligé, une voie plus lente crée la majeure partie de la charge à l'interface. Cette idée montre une voie que les scientifiques devraient prendre en compte lors de la conception de l'électronique moléculaire. L'étude fournit également des valeurs de référence absolues pour la conception d'interfaces spécialisées qui convertissent efficacement la lumière en charge.

Concevoir des cellules solaires moléculaires, capteurs, etc., les chercheurs doivent savoir comment la lumière crée de l'électricité à l'échelle atomique. Ce n'est pas facile car les processus peuvent se produire en un billionième de seconde (picoseconde). Les chercheurs ont trouvé un moyen, utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X résolue en temps de la picoseconde et un matériau modèle constitué d'un donneur d'électrons à base de cuivre et d'un accepteur de carbone. Spécifiquement, ils ont examiné les hétérojonctions métal-organiques dans un donneur de cuivre-phtalocyanine (CuPc) et un accepteur à base de fullerène (C60). La méthode permet aux scientifiques d'étudier comment les excitons migrent à travers le matériau et se dissocient en charges séparées utiles pour les applications électroniques ou chimiques. Leurs résultats ont changé la façon dont les scientifiques pensent à l'énergie dans ce matériau. La vue précédente se concentrait sur les excitons à plus haute énergie, connu sous le nom d'excitons singulets, qui sont directement générés par la lumière. Les chercheurs pensaient que les excitons singulets créés à l'endroit où les matériaux donneur et accepteur se rencontraient généraient la majeure partie de l'électricité. Pas ainsi. Formation plus lente, les excitons triples de faible énergie qui se forment dans la masse du matériau à base de cuivre contribuent à la majorité de la charge sur une base moyenne dans le temps.

L'étude offre de nouvelles perspectives sur la migration des excitons et la génération de charges dans ces matériaux. Aussi, il fournit des valeurs de référence absolues pour la conception de CuPc-C 60 hétérojonctions pour une conversion efficace de la lumière en charge.