Les scientifiques de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) travaillent actuellement sur un projet de recherche conjoint visant à générer plus d'électricité à partir de cellules solaires et à mener des recherches supplémentaires sur la fission singulet avec le centre de recherche sur l'énergie solaire d'Argonne-Northwestern (ANSER), La fission singulet américaine pourrait augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires, et grâce aux dernières recherches, c'est un pas de plus pour devenir possible. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Chimie .
La consommation mondiale d'énergie a augmenté, et la tendance à la hausse devrait se poursuivre dans les années à venir. Afin de répondre à la demande tout en protégeant l'environnement, électricité solaire, vent, les sources d'eau et de biomasse gagnent en importance. Cependant, seulement 6 % environ de l'électricité brute produite en Allemagne en 2017 provenait de systèmes photovoltaïques, et la technologie à base de silicium dont on dispose actuellement atteint rapidement ses limites en termes de potentiel.
Les cellules solaires sont extrêmement inefficaces pour convertir l'énergie solaire en électricité. Leur efficacité n'est actuellement que de 20 à 25 pour cent. De nouvelles approches sont nécessaires pour augmenter considérablement les performances des cellules solaires et générer plus d'électricité. La réponse se trouve peut-être dans les processus physico-chimiques qui augmentent considérablement l'efficacité des cellules solaires. Les scientifiques de la FAU et du Centre ANSER ont exploré une approche prometteuse dans le cadre de leur projet de recherche conjoint. Les chercheurs ont étudié le mécanisme dit de fission singulet (SF), dans lequel un photon excite deux électrons.
Le principe de la fission singulet a été découvert il y a environ 50 ans, mais son potentiel d'augmentation significative de l'efficacité des cellules solaires organiques n'a été reconnu par les scientifiques américains qu'il y a environ 10 ans. Depuis, des chercheurs du monde entier se sont efforcés d'acquérir une compréhension plus détaillée des processus fondamentaux et des mécanismes complexes qui les sous-tendent. Avec le professeur Michael Wasielewski du Centre ANSER, les chercheurs de la FAU ont maintenant réussi à clarifier certains aspects extraordinairement significatifs de la SF.
Lorsqu'un photon de la lumière du soleil rencontre et est absorbé par une molécule, le niveau d'énergie de l'un des électrons de la molécule est augmenté. En absorbant un photon, une molécule organique est ainsi convertie en un état d'énergie supérieure. L'électricité peut alors être générée dans les cellules solaires à partir de cette énergie, qui est stocké temporairement dans la molécule. Le scénario optimal dans les cellules solaires conventionnelles est que chaque photon génère un électron comme vecteur d'électricité. Si, cependant, des dimères de composés chimiques sélectionnés sont utilisés, deux électrons de molécules voisines peuvent être convertis en un état d'énergie plus élevée. Au total, un photon génère deux électrons excités, qui à son tour peut être utilisé pour produire du courant électrique - deux sont faits d'un. Ce processus est connu sous le nom de fission unique, et dans le scénario idéal, peut augmenter considérablement les performances des cellules solaires. Des chimistes et des physiciens de la FAU et du Centre ANSER ont étudié plus en détail le mécanisme sous-jacent, conduisant à une compréhension considérablement plus approfondie du processus de SF.
Comme première étape de leurs recherches, les scientifiques ont produit un dimère moléculaire à partir de deux unités de pentacène. Cet hydrocarbure est considéré comme un candidat prometteur pour l'utilisation de la fission singulet dans les cellules solaires. Ils ont ensuite exposé le liquide à la lumière et utilisé diverses méthodes spectroscopiques pour étudier les processus photophysiques au sein de la molécule.
Cela a donné aux chercheurs trois aperçus de grande envergure sur le mécanisme à l'origine de la fission intramoléculaire du singulet. Premièrement, ils ont réussi à prouver que le couplage à un état de transfert de charge plus élevé est essentiel pour une SF hautement efficace. Deuxièmement, ils ont vérifié un modèle de fission singulet qu'ils ont récemment créé et publié. Troisièmement (et enfin), ils ont prouvé que l'efficacité du SF est clairement corrélée à la force de couplage des deux sous-unités du pentacène.
Les résultats indiquent l'importance de planifier soigneusement la conception des matériaux SF. Il s'agit d'une étape importante sur la voie de l'utilisation de systèmes photovoltaïques à base de SF pour produire de l'électricité. D'autres recherches fondamentales sont encore nécessaires, toutefois.
