En utilisant une nouvelle méthode, physiciens de la TU Freiberg, en coopération avec des chercheurs de Berkeley et Hambourg, analysent pour la première fois à l'échelle femtoseconde les processus dans un système modèle de cellules solaires organiques. Cela peut être utilisé pour développer des cellules solaires performantes et efficaces. La clé de ceci sont des flashs de lumière ultra-rapides, avec laquelle travaille l'équipe dirigée par le Dr Friedrich Roth chez FLASH à Hambourg, le premier laser à électrons libres au monde dans le domaine des rayons X.

"Nous avons profité des propriétés spéciales de cette source de rayons X et les avons étendues avec la spectroscopie de photoémission de rayons X à résolution temporelle (TR-XPS). Cette méthode est basée sur l'effet photoélectrique externe, pour l'explication de laquelle Albert Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921. Pour la première fois, nous avons pu analyser directement la séparation de charge spécifique et les processus ultérieurs lorsque la lumière frappe un système modèle tel qu'une cellule solaire organique. Nous avons également pu déterminer l'efficacité de la séparation des charges en temps réel, " explique le Dr Roth de l'Institut de physique expérimentale de la TU Bergakademie Freiberg.

Avec la science des photons pour de meilleures cellules solaires

Contrairement aux méthodes précédentes, les chercheurs ont pu identifier un canal auparavant non observé pour la séparation des charges. "Avec notre méthode de mesure, nous pouvons effectuer un temps résolu, analyse spécifique à l'atome. Cela nous donne une empreinte digitale qui peut être attribuée à la molécule associée. Nous pouvons voir quand les électrons excités par le laser optique arrivent à la molécule acceptrice, combien de temps ils restent et quand ou comment ils disparaissent à nouveau, " dit le professeur Serguei Molodtsov, expliquer la méthode de mesure. Il dirige le groupe de recherche "Structural Research with X-ray Free Electron Lasers (XFELs) and Synchrotron Radiation" à l'Institut de physique expérimentale de Freiberg et est directeur scientifique au European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL).

Analyser les points faibles et augmenter l'efficacité quantique

L'analyse en temps réel et la mesure des paramètres internes sont des aspects importants de la recherche fondamentale que l'industrie solaire, en particulier, peut bénéficier. "Avec nos mesures, nous tirons des conclusions importantes sur les interfaces au niveau desquelles les porteurs de charge gratuits se forment ou se perdent et affaiblissent ainsi les performances des cellules solaires, " ajoute le Dr Roth. Avec les découvertes des chercheurs de Freiberg, par exemple, des possibilités d'optimisation au niveau moléculaire ou dans le domaine de la science des matériaux peuvent être dérivées et l'efficacité quantique optimise les systèmes photovoltaïques et photocatalytiques émergents. L'efficacité quantique décrit le rapport entre la lumière incidente et le flux de photons (courant généré). L'équipe a publié les résultats dans une publication spécialisée actuelle, le journal Communication Nature .