Des chercheurs de l'Université Columbia ont mis au point un moyen d'exploiter davantage la puissance de la fission singulet pour augmenter l'efficacité des cellules solaires, fournir un outil pour aider à faire avancer le développement d'appareils de nouvelle génération.

Dans une étude publiée ce mois-ci dans Chimie de la nature , l'équipe détaille la conception de molécules organiques capables de générer deux excitons par photon de lumière, un processus appelé fission singulet. Les excitons sont produits rapidement et peuvent vivre beaucoup plus longtemps que ceux générés par leurs homologues inorganiques, ce qui conduit à une amplification de l'électricité générée par photon qui est absorbé par une cellule solaire.

"Nous avons développé une nouvelle règle de conception pour les matériaux de fission singulet, " a déclaré Luis Campos, un professeur agrégé de chimie et l'un des trois chercheurs principaux de l'étude. "Cela nous a conduit à développer les matériaux de fission singulet intramoléculaires les plus efficaces et technologiquement utiles à ce jour. Ces améliorations ouvriront la porte à des cellules solaires plus efficaces."

Tous les panneaux solaires modernes fonctionnent selon le même processus :un photon de lumière génère un exciton, Campos a expliqué. L'exciton peut alors être converti en courant électrique. Cependant, il existe des molécules pouvant être mises en œuvre dans des cellules solaires qui ont la capacité de générer deux excitons à partir d'un seul photon, un processus appelé fission singulet. Ces cellules solaires constituent la base des appareils de nouvelle génération, qui n'en sont qu'à leurs balbutiements. L'un des plus grands défis de travailler avec de telles molécules, bien que, est que les deux excitons "vivent" pendant de très courtes périodes (des dizaines de nanosecondes), ce qui rend difficile leur récolte comme forme d'électricité.

Dans l'étude actuelle, financé en partie par l'Office of Naval Research, Campos et ses collègues ont conçu des molécules organiques capables de générer rapidement deux excitons qui vivent beaucoup plus longtemps que les systèmes de pointe. C'est une avancée qui peut non seulement être utilisée dans la production d'énergie solaire de nouvelle génération, mais aussi dans les procédés photocatalytiques en chimie, capteurs, et l'imagerie, Campos a expliqué, comme ces excitons peuvent être utilisés pour initier des réactions chimiques, qui peut ensuite être utilisé par l'industrie pour fabriquer des médicaments, plastiques, et de nombreux autres types de produits chimiques de consommation.

"La fission singulet intramoléculaire a été démontrée par notre groupe et d'autres, mais les excitons résultants étaient soit générés très lentement, ou ils ne dureraient pas très longtemps, " a déclaré Campos. "Ce travail est le premier à montrer que la fission singulet peut générer rapidement deux excitons qui peuvent vivre très longtemps. Cela ouvre la porte à une étude fondamentale du comportement de ces excitons lorsqu'ils reposent sur des molécules individuelles, et aussi de comprendre comment ils peuvent être efficacement mis en œuvre dans des appareils qui bénéficient de signaux amplifiés par la lumière."

La stratégie de conception de l'équipe devrait également s'avérer utile dans des domaines distincts d'études scientifiques et avoir de nombreuses autres applications encore inimaginables, il ajouta.