En utilisant une caméra ultrarapide, les scientifiques disent avoir observé les tout premiers instants suivant l'absorption de la lumière dans des nanostructures artificielles mais organiques et ont découvert que les charges non seulement se formaient rapidement mais se séparaient également très rapidement sur de longues distances - phénomènes qui se produisent en raison de la nature ondulatoire des électrons qui sont régis par lois fondamentales de la mécanique quantique.

Ce résultat a surpris les scientifiques car on pensait que de tels phénomènes étaient limités à des structures inorganiques « parfaites » - et coûteuses; plutôt que le doux, matière organique flexible considérée par beaucoup comme la clé du bon marché, des cellules solaires "roll-to-roll" qui pourraient être imprimées à température ambiante - un monde très différent du traitement traditionnel mais coûteux des technologies actuelles du silicium.

L'étude, publié aujourd'hui dans la revue Science , jette un nouvel éclairage sur le mécanisme mystérieux qui permet de séparer efficacement les charges positives et négatives - une question cruciale qui continue d'intriguer les scientifiques - et rapproche les chercheurs de l'imitation efficace de la capacité très efficace de récolter la lumière du soleil et de la convertir en énergie, à savoir la photosynthèse, laquelle le monde naturel a évolué au cours des millénaires.

"C'est un résultat très surprenant. De tels phénomènes quantiques sont généralement confinés à des cristaux parfaits de semi-conducteurs inorganiques, et on ne s'attend pas à voir de tels effets dans les molécules organiques - qui sont très désordonnées et ont tendance à ressembler à une assiette de spaghettis cuits plutôt qu'à un cristal, " a déclaré le Dr Simon Gélinas, du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé la recherche avec des collègues de Cambridge ainsi que de l'Université de Californie à Santa Barbara.

Au cours des premières femtosecondes (un millionième d'un milliardième de seconde), chaque charge se répartit sur plusieurs molécules plutôt que d'être localisée sur une seule. Ce phénomène, appelée cohérence spatiale, permet à une charge de voyager très rapidement sur plusieurs nanomètres et de s'échapper de son partenaire de charge opposée - une première étape qui semble être la clé pour générer des charges à longue durée de vie, disent les chercheurs. Cela peut ensuite être utilisé pour produire de l'électricité ou pour des réactions chimiques.

En concevant soigneusement la façon dont les molécules s'assemblent, l'équipe a découvert qu'il était possible d'ajuster la cohérence spatiale et d'amplifier - ou de réduire - cette séparation à longue distance. "Peut-être le plus important, les résultats suggèrent que parce que le processus est si rapide, il est également économe en énergie, ce qui pourrait entraîner plus d'énergie hors de la cellule solaire, " a déclaré le Dr Akshay Rao, un co-auteur de l'étude du Laboratoire Cavendish.

Dr Alex Chin, qui a dirigé la partie théorique du projet, ajouté que, si vous regardez au-delà des implications de l'étude pour les cellules solaires organiques, c'est une démonstration claire de "comment les processus fondamentaux de la mécanique quantique, comme la cohérence, jouent un rôle crucial dans les systèmes organiques et biologiques désordonnés et peuvent être exploités dans les nouvelles technologies quantiques".