Un type relativement nouveau de semi-conducteur, superposé sur une structure semblable à un miroir, peut imiter la façon dont les feuilles déplacent l'énergie du soleil sur des distances relativement longues avant de l'utiliser pour alimenter des réactions chimiques. L'approche pourrait un jour améliorer l'efficacité des cellules solaires.

"Le transport d'énergie est l'une des étapes cruciales de la récupération et de la conversion de l'énergie solaire dans les cellules solaires", a déclaré Bin Liu, chercheur postdoctoral en génie électrique et informatique et premier auteur de l'étude dans la revue Optica. .

"Nous avons créé une structure capable de supporter des états de mélange hybrides lumière-matière, permettant un transport d'énergie efficace et exceptionnellement longue distance."

L'une des façons dont les cellules solaires perdent de l'énergie réside dans les courants de fuite générés en l'absence de lumière. Cela se produit dans la partie de la cellule solaire qui prend les électrons chargés négativement et les "trous" chargés positivement, générés par l'absorption de la lumière, et les sépare à une jonction entre différents semi-conducteurs pour créer un courant électrique.

Dans une cellule solaire conventionnelle, la zone de jonction est aussi grande que la zone qui collecte la lumière, de sorte que les électrons et les trous n'ont pas à aller loin pour l'atteindre. Mais l'inconvénient est la perte d'énergie de ces courants de fuite.

La nature minimise ces pertes dans la photosynthèse avec de grands "complexes d'antennes" collecteurs de lumière dans les chloroplastes et les "centres de réaction" beaucoup plus petits où les électrons et les trous sont séparés pour être utilisés dans la production de sucre. Cependant, ces paires électron-trou, appelées excitons, sont très difficiles à transporter sur de longues distances dans les semi-conducteurs.

Liu a expliqué que les complexes photosynthétiques peuvent le gérer grâce à leurs structures hautement ordonnées, mais que les matériaux fabriqués par l'homme sont généralement trop imparfaits.

Le nouveau dispositif contourne ce problème en ne convertissant pas complètement les photons en excitons, au lieu de cela, ils conservent leurs qualités semblables à celles de la lumière. Le mélange photon-électron-trou est appelé polariton. Sous forme de polariton, ses propriétés semblables à la lumière permettent à l'énergie de traverser rapidement des distances relativement grandes de 0,1 millimètre, ce qui est encore plus loin que les distances parcourues par les excitons à l'intérieur des feuilles.

L'équipe a créé les polaritons en superposant le fin semi-conducteur absorbant la lumière sur une structure photonique qui ressemble à un miroir, puis en l'illuminant. Cette partie de l'appareil agit comme le complexe d'antennes dans les chloroplastes, rassemblant l'énergie lumineuse sur une grande surface. À l'aide de la structure en forme de miroir, le semi-conducteur a canalisé les polaritons vers un détecteur, qui les a convertis en courant électrique.

"L'avantage de cet arrangement est qu'il a le potentiel d'améliorer considérablement l'efficacité de la production d'énergie des cellules solaires conventionnelles où les régions de collecte de lumière et de séparation de charge coexistent sur la même zone", a déclaré Stephen Forrest, professeur émérite Peter A. Franken. of Engineering, qui a dirigé la recherche.

Bien que l'équipe sache que le transport d'énergie se produit dans son système, elle n'est pas totalement sûre que l'énergie se déplace en permanence sous la forme d'un polariton. Il se pourrait que le photon surfe en quelque sorte sur une série d'excitons sur le chemin du détecteur. Ils laissent ce détail fondamental aux travaux futurs, ainsi que la question de savoir comment construire des dispositifs de collecte de lumière efficaces qui exploitent le transfert d'énergie de type photosynthèse. + Explorer plus loin

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