Bien qu'il existe un marché croissant pour les cellules solaires organiques, elles contiennent des matériaux moins chers, plus abondante, et plus respectueux de l'environnement que ceux utilisés dans les panneaux solaires classiques - ils ont également tendance à être moins efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité que les cellules solaires conventionnelles.

Maintenant, des scientifiques membres du Center for Computational Study of Excited-State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM), un nouveau centre scientifique lié aux matériaux énergétiques basé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, ont résolu un mystère qui pourrait conduire à des gains d'efficacité.

Ils ont identifié la source d'un processus ultrarapide et efficace qui génère plusieurs porteurs de charge électrique à partir d'une seule particule de lumière dans des cristaux organiques qui font partie intégrante de cette forme de plus en plus populaire de cellules solaires.

Ce processus - appelé "fission singulet" car il s'apparente à la division des noyaux atomiques dans la fission nucléaire pour créer deux atomes plus légers à partir d'un plus lourd - est prometteur pour augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires organiques en convertissant rapidement plus d'énergie solaire en charges électriques au lieu de les perdre en chaleur.

L'équipe de recherche a découvert un nouveau mécanisme expliquant comment cette réaction peut se produire en quelques dizaines de femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), avant que d'autres effets concurrents puissent leur voler leur énergie. Leur étude a été publiée le 29 décembre dans la revue Lettres d'examen physique .

"Nous avons en fait découvert un nouveau mécanisme qui nous permet d'essayer de concevoir de meilleurs matériaux, " a déclaré Steven G. Louie, directeur du C2SEPEM, un centre soutenu par le DOE qui comprend des chercheurs du Berkeley Lab; l'Université de Californie, Los Angeles; l'Université du Texas à Austin; et l'Institut de technologie de Géorgie.

Louie, un co-responsable de l'étude, est également chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley. C2SEPEM se concentre sur le développement de théories, méthodes, et des logiciels pour aider à expliquer les processus complexes dans les matériaux liés à l'énergie.

Dans le processus de division, une particule composite composée d'un électron, qui a une charge négative, et son trou partenaire - une position d'électron vacant dans la structure atomique d'un matériau qui se comporte comme une particule en portant une charge positive - se convertit rapidement en deux paires électron-trou. Cela double le potentiel de transport de charge dans le matériau tout en évitant la perte d'énergie sous forme de chaleur.

"Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons toujours pas sur la physique fondamentale de ce processus dans les matériaux cristallins que nous espérons éclairer davantage, " a déclaré Jeffrey B. Neaton, directeur associé du C2SEPEM, qui a codirigé l'étude avec Louie.

Neaton est également directeur de laboratoire associé pour les sciences de l'énergie au Berkeley Lab, le directeur de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et professeur de physique à l'UC Berkeley. "La méthode de calcul que nous avons développée est très prédictive, et nous l'avons utilisé pour comprendre la fission singulet d'une nouvelle manière qui peut nous permettre de concevoir des matériaux encore plus efficaces pour récolter la lumière, par exemple."

Louie a noté que de nombreux efforts passés s'étaient concentrés sur quelques molécules dans le matériau - dans ce cas, la forme cristallisée du pentacène, qui est composé d'hydrogène et de carbone - pour en savoir plus sur ces effets exotiques. Mais de telles approches ont peut-être simplifié à l'excès les effets de la fission singulet.

"Il y a eu beaucoup d'efforts théoriques pour essayer de comprendre ce qui se passe, " il a dit.

Dans cette dernière étude, l'équipe de recherche a commencé par une vue à grande échelle de la structure globale du pentacène cristallisé, et en particulier sa symétrie - les motifs répétitifs dans son cadre atomique.

"C'est comme essayer d'expliquer l'océan en le regardant molécule par molécule, ou en regardant une vague entière, " a déclaré Felipe H. da Jornada, co-auteur principal de l'étude avec Sivan Refaely-Abramson. Tous deux sont chercheurs postdoctoraux au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley et sont également affiliés au C2SEPEM.

"Notre approche capture directement l'ensemble du cristal, "peu importe la taille, il a noté.

L'équipe a utilisé des calculs effectués en partie à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et des ressources de calcul intensif au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du laboratoire pour développer, maquette, et tester leurs nouvelles théories du processus de fission.

"Nous pensons que ces théories peuvent également être appliquées à des matériaux très différents, " dit Refaely-Abramson, " et en ce sens, la théorie est très importante. » Des expériences antérieures avaient manqué certains des indices importants sur le rôle de la structure cristalline dans le mécanisme de fission singulet.

L'étude conclut que pour doubler efficacement ces paires électron-trou, le matériau échantillonné doit présenter un type de symétrie spécifique, ou des combinaisons répétées de molécules, dans sa structure cristalline - tout comme le sol d'une pièce peut afficher une multitude de répéter des motifs en utilisant les mêmes carreaux.

L'efficacité du processus de fission singulet semble dépendre fortement du nombre de molécules emballées dans chaque motif répété ou "motif" dans le cristal, et sur un type particulier de symétrie celui dans lequel il y a une rotation de 180 degrés et un miroir de ces motifs. Cette relation entre symétrie et efficacité, les chercheurs ont trouvé, leur permet de faire des prédictions puissantes sur l'efficacité de la fission globale.

Ces prédictions ne peuvent être possibles, bien que, si les paires électron-trou dans l'échantillon se comportent comme des objets ondulatoires se déplaçant dans tout le cristal comme des vagues dans un océan. Cette approche leur a également donné un nouvel aperçu du processus de division, et comment les paires nouvellement créées doivent se comporter comme des ondes se propageant dans des directions opposées.

Il reste encore plusieurs étapes à franchir pour rendre ces résultats plus pertinents pour les applications du monde réel, les chercheurs ont noté. Dans les cellules solaires, par exemple, les électrons doivent être efficacement libérés de leur appariement avec des trous pour récupérer leur énergie et améliorer les performances des panneaux solaires.

Comprendre le doublement des porteurs de charge dans un matériau peut aider les chercheurs à mieux expliquer et concevoir des processus inverses, aussi - comme la technologie utilisée dans certains écrans de téléphones portables qui réduit le nombre de porteurs de charge (un processus connu sous le nom de fusion triplet), dit Neaton.

Louie a noté que l'équipe multidisciplinaire qui a été constituée pour l'étude, un élément clé du centre C2SEPEM, faisait partie intégrante de l'introduction d'une nouvelle façon de penser pour résoudre un problème vieux de plusieurs décennies.

"C'est l'un des premiers sujets importants que nous avons pu aborder, et maintenant c'est arrivé à terme, " il a dit.