Des chercheurs de l'université de Linköping ont découvert un phénomène quantique qui influence la formation de charges libres dans les cellules solaires organiques. « Si nous pouvons bien comprendre ce qui se passe, nous pouvons augmenter l'efficacité, " dit Olle Inganäs, professeur honoraire.

Le doctorant Qingzhen Bian a obtenu des résultats inattendus lorsqu'il a mis en place une expérience pour optimiser un matériau de cellule solaire composé de deux polymères absorbant la lumière et d'un matériau accepteur. Olle Inganäs, Le professeur émérite de la Division d'électronique biomoléculaire et organique lui a demandé de répéter l'expérience pour éliminer la possibilité d'erreurs de mesure. À maintes reprises, et dans les expériences menées à la fois à LiU et par des collègues à Lund, la même chose s'est produite :une minuscule forme d'onde périodique de quelques centaines de femtosecondes est apparue dans la signature de l'absorption optique sous la forme d'un photocourant formé dans le matériau de la cellule solaire. Ce qui se passait?

L'explication a été publiée dans Communication Nature .

Un peu de contexte :lorsque la lumière sous forme de photons est absorbée dans un polymère semi-conducteur, un exciton se forme. Les excitons sont des paires électron-trou liées dans le polymère. Les électrons ne sont pas libérés, et le transport des charges, le photocourant, ne se pose pas. Lorsque le polymère donneur d'électrons est mélangé à une molécule qui accepte les électrons, les électrons peuvent être libérés. Les électrons n'ont alors qu'à faire un petit saut pour se libérer, et la perte d'énergie est réduite au minimum. Les trous et les électrons transportent le photocourant et la cellule solaire commence à produire de l'électricité.

C'est connu depuis longtemps. Cependant, la forme d'onde remarquable est ensuite apparue dans l'expérience de Qingzhen Bian.

"La seule explication concevable est que la cohérence apparaît entre le système excité et les charges séparées. Nous avons demandé aux chimistes quantiques de se pencher sur cela et les résultats que nous obtenons dans des expériences répétées concordent bien avec leurs calculs, " dit Olle Inganäs.

A l'échelle quantique, les atomes vibrent, et ils vibrent plus vite lorsqu'ils sont chauffés. Ce sont ces vibrations qui interagissent entre elles d'une certaine manière et avec le système excité d'électrons :les phases des ondes se succèdent et un état de cohérence apparaît.

"La cohérence aide à créer les charges qui donnent le photocourant, qui se déroule à température ambiante. Mais on ne sait pas encore pourquoi ni comment, " dit Olle Inganäs.

La même cohérence quantique se retrouve dans le monde biologique.

"Un débat intense est en cours parmi les chercheurs en biophysique pour savoir si les systèmes qui utilisent la photosynthèse ont appris à exploiter la cohérence ou non. Je trouve qu'il est peu probable que des millions d'années d'évolution n'aient pas permis au monde naturel d'exploiter le phénomène, " dit Olle Inganäs.

"Si nous comprenions mieux comment se forment les porteurs de charge et comment le processus est contrôlé, nous devrions pouvoir l'utiliser pour augmenter l'efficacité des cellules solaires organiques. Les vibrations dépendent de la structure de la molécule, et si nous pouvons concevoir des molécules qui contribuent à augmenter le photocourant, nous pouvons aussi utiliser le phénomène à notre avantage, " il dit.