Les cellules solaires offrent la possibilité de récolter abondamment, énergie renouvelable. Bien que la lumière d'énergie la plus élevée se produise dans le spectre ultraviolet et visible, la plupart de l'énergie solaire est dans l'infrarouge. Il y a un compromis dans la récolte de cette lumière, de sorte que les cellules solaires sont efficaces dans l'infrarouge mais gaspillent une grande partie de l'énergie disponible à partir des photons les plus énergétiques dans la partie visible du spectre.

Lorsqu'un photon est absorbé, il crée une excitation électronique unique qui est ensuite séparée en un électron et un trou chargé positivement, quelle que soit l'énergie lumineuse. Une façon d'améliorer l'efficacité est de diviser l'énergie disponible à partir des photons visibles en deux, ce qui conduit à un doublement du courant dans la cellule solaire.

Des chercheurs de Cambridge et de Mons ont étudié le processus par lequel l'excitation électronique initiale peut se diviser en une paire d'excitations à demi-énergie. Cela peut se produire dans certaines molécules organiques lorsque l'effet mécanique quantique du spin des électrons définit l'état initial du spin « singulet » pour être le double de l'énergie de l'arrangement alternatif du « triplet » du spin.

L'étude, publié aujourd'hui dans la revue Chimie de la nature , montre que ce processus de fission singulet en paires de triplets dépend très sensiblement des interactions entre molécules. En étudiant ce processus lorsque les molécules sont en solution, il est possible de contrôler à quel moment ce processus est enclenché.

Lorsque le matériau est très dilué, la distance entre les molécules est grande et la fission singulet ne se produit pas. Lorsque la solution est concentrée, les collisions entre molécules deviennent plus fréquentes. Les chercheurs constatent que le processus de fission se produit dès que seulement deux de ces molécules sont en contact, et remarquablement, cette fission singulet est alors complètement efficace, de sorte que chaque photon produit deux triplets.

Cette étude fondamentale fournit de nouvelles informations sur le processus de fission singulet et démontre que l'utilisation de la fission singulet est une voie très prometteuse pour améliorer les cellules solaires. Les chimistes pourront utiliser les résultats pour fabriquer de nouveaux matériaux, dit l'équipe du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui travaillent actuellement sur les moyens d'utiliser ces solutions dans les appareils.

« Nous avons commencé par revenir aux fondamentaux ; regarder le défi de l'énergie solaire du point de vue du ciel bleu, " a déclaré le Dr Brian Walker, chercheur au sein du groupe Optoélectronique du Cavendish Lab, qui a dirigé l'étude.

"La fission singulet offre une voie pour augmenter l'efficacité des cellules solaires en utilisant des matériaux à faible coût. Nous commençons seulement à comprendre comment ce processus fonctionne, et au fur et à mesure que nous en apprenons davantage, nous nous attendons à ce que des améliorations technologiques s'ensuivent."

L'équipe a utilisé une combinaison d'expériences laser - qui mesurent les temps avec une extrême précision - avec des méthodes chimiques utilisées pour étudier les mécanismes de réaction. Cette double approche a permis aux chercheurs de ralentir la fission et d'observer une étape intermédiaire clé jamais vue auparavant.

"Très peu d'autres groupes dans le monde disposent d'appareils laser aussi polyvalents que le nôtre à Cambridge, " a ajouté Andrew Musser, un chercheur qui a collaboré à l'étude. "Cela nous a permis de faire un pas de plus pour déterminer exactement comment se produit la fission singulet."