Les complexes de métaux de transition dans les cellules solaires à base de colorants sont responsables de la conversion de la lumière en énergie électrique. Un modèle de séparation de charge spatiale au sein de la molécule a été utilisé pour décrire cette conversion. Cependant, une analyse à BESSY II montre que cette description du processus est trop simple. Pour la première fois, une équipe y a étudié les processus photochimiques fondamentaux autour de l'atome de métal et de ses ligands. L'étude vient d'être publiée dans Angewandte Chemie, Édition internationale et est affiché sur la couverture.

Les cellules solaires organiques telles que les cellules Grätzel sont constituées de colorants à base de composés de complexes de métaux de transition. La lumière du soleil excite les électrons externes du complexe de telle sorte qu'ils sont transportés des orbitales au centre du complexe métallique vers les orbitales des composés adjacents. Jusqu'à maintenant, il a été supposé que les porteurs de charge étaient spatialement séparés dans ce processus, puis dépouillés afin qu'un courant électrique puisse circuler. Une équipe dirigée par Alexander Föhlisch chez HZB a maintenant pu préciser que ce n'est pas le cas.

En utilisant les courtes impulsions de rayons X de BESSY II en mode low-alpha, ils ont pu suivre chaque étape du processus dans un complexe de fer déclenché par photo-excitation avec une impulsion laser. "Nous pouvons observer directement comment l'impulsion laser dépeuple les orbitales 3-D du métal, " explique Raphaël Jay, doctorat étudiant et premier auteur de l'étude. A l'aide de calculs théoriques, ils ont pu interpréter très précisément les données de mesure de la spectroscopie d'absorption des rayons X à résolution temporelle. L'image suivante se dégage :Au départ, l'impulsion laser provoque en effet la délocalisation des électrons de l'orbitale 3-D de l'atome de fer sur les ligands adjacents. Cependant, ces ligands repoussent à leur tour immédiatement la charge électronique dans la direction de l'atome de métal, compensant ainsi immédiatement la perte de charge au niveau du métal et la séparation initiale des porteurs de charge associée.

Ces découvertes pourraient contribuer au développement de nouveaux matériaux pour les cellules solaires à colorant. Car jusqu'à maintenant, les complexes de ruthénium ont été couramment utilisés dans les cellules solaires organiques. Le ruthénium est un élément rare et donc cher. Les complexes de fer seraient nettement moins chers, mais se caractérisent par des taux de recombinaison élevés entre les porteurs de charge. D'autres études révéleront quelles sont les caractéristiques de médiation dans les complexes de métaux de transition afin que la lumière soit efficacement convertie en énergie électrique.