Les chercheurs ont suivi les premières fractions de seconde après que la lumière frappe les cellules solaires, donnant un aperçu de la façon dont elles produisent de l'électricité.

Sonder les tout premiers instants du processus de conversion de la lumière en électricité pourrait aider les chercheurs à améliorer de nouvelles cellules solaires, leur permettant de produire de l'énergie plus efficacement.

La méthode, développée par des chercheurs de l'Imperial College de Londres, utilise des lasers et des rayons X ultrarapides pour provoquer une réaction, puis pour mesurer les changements qu'elle provoque en quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde).

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Imperial et de l'Université de Newcastle a utilisé cette technique pour étudier les matériaux photovoltaïques organiques (OPV) qui récoltent les rayons du soleil pour produire de l'énergie ou diviser l'eau.

Les matériaux OPV font l'objet d'études approfondies car ils peuvent fournir une énergie renouvelable moins chère. Cependant, de nombreux matériaux actuellement utilisés sont instables ou inefficaces, en raison de l'interaction complexe des électrons excités par la lumière.

Une étude plus approfondie des interactions rapides de ces électrons, comme l'article publié aujourd'hui dans Nature Communications qui combine une résolution temporelle rapide avec des mesures localisées sur les atomes, fournit des informations précieuses sur les méthodes d'amélioration des cellules solaires et des catalyseurs.

Appareils plus efficaces

Le professeur Jon Marangos, du département de physique de l'Impériale, déclare que "les OPV sont des alternatives bon marché et flexibles au photovoltaïque à base de silicium, et constituent donc une perspective intéressante pour une utilisation dans les futures infrastructures de production d'énergie solaire.

"Ce travail démontre la puissance de notre nouvelle technique de rayons X à résolution temporelle, qui peut désormais être appliquée à une plus large gamme de matériaux et peut fournir les connaissances nécessaires pour fabriquer des dispositifs OPV plus efficaces."

L'équipe a sondé la première étape de la conversion de l'énergie solaire - les réactions dans le matériau provoquées par l'impact de la lumière. Ils ont d'abord tiré une impulsion laser d'une durée de 15 femtosecondes sur le matériau pour exciter la réaction. Ils ont suivi cela avec une impulsion de rayons X d'une durée de quelques attosecondes (moins de millionièmes de milliardième de seconde), qui a mesuré les changements résultants dans le matériau.

États en évolution rapide

L'équipe a observé, pour la première fois, des signatures directes aux rayons X de l'état initial du matériau lorsque les électrons sont chassés de leur position. Cela crée une paire d'électrons et de "trous", qui peuvent se déplacer à travers le matériau.

Cet état initial a rapidement évolué vers un nouvel état plus stable en seulement 50 femtosecondes. Les calculs du professeur Tom Penfold de l'Université de Newcastle concordaient bien avec les observations, montrant que l'état initial dépendait de la distance entre les chaînes de molécules dans le matériau.

Le Dr Artem Bakulin, du Département de chimie de l'Impérial, déclare que "cette sensibilité de la méthode des rayons X à résolution temporelle à la dynamique initiale des électrons se produisant directement après l'excitation par la lumière ouvre la voie à de nouvelles connaissances sur la photophysique d'un large gamme de matériaux organiques optoélectroniques et autres."

L'équipe prévoit maintenant d'explorer la dynamique de charge ultrarapide dans d'autres matériaux semi-conducteurs organiques, y compris des matériaux récemment découverts qui utilisent différentes molécules comme accepteurs d'électrons, qui présentent une efficacité OPV améliorée. + Explorer plus loin

Un pas vers une énergie solaire moins chère