Les cellules photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité et sont donc des dispositifs technologiques clés pour relever l'un des défis auxquels l'humanité doit faire face en ce siècle :une production durable et propre d'énergie renouvelable. Cellules solaires organiques, utiliser des matériaux polymères pour capter la lumière du soleil, ont des propriétés particulièrement favorables. Ils sont bon marché, léger et flexible, et leur couleur peut être adaptée en faisant varier la composition du matériau. Ces cellules solaires sont généralement constituées de mélanges nanostructurés de polymères conjugués (longues chaînes d'atomes de carbone), agissant comme absorbeurs de lumière, et des fullerènes (ballons de football en carbone à l'échelle nanométrique), jouant le rôle d'accepteurs d'électrons. L'étape primaire et la plus élémentaire du processus de conversion lumière-courant, le transfert induit par la lumière d'un électron du polymère au fullerène, se produit à une vitesse si ahurissante qu'il s'est avéré auparavant difficile de le suivre directement.

Maintenant, une équipe de chercheurs allemands et italiens d'Oldenburg, Modène et Milan ont rapporté les premiers films en temps réel du processus de conversion lumière-courant dans une cellule solaire organique. Dans un rapport publié dans le numéro du 30 mai de Science magazine, les chercheurs montrent que la mécanique quantique, la nature ondulatoire des électrons et leur couplage aux noyaux est d'une importance fondamentale pour le transfert de charge dans un dispositif photovoltaïque organique.

"Nos premiers résultats étaient en fait très surprenants", dit Christoph Lienau, un professeur de physique de l'Université d'Oldenburg qui a dirigé l'équipe de recherche. "Quand nous avons utilisé extrêmement court, des impulsions lumineuses femtosecondes pour illuminer la couche de polymère dans une cellule organique, nous avons constaté que les impulsions lumineuses induisaient des oscillations, mouvement vibratoire des molécules de polymère. De façon inattendue, cependant, nous avons vu que les molécules de fullerène ont également toutes commencé à vibrer de manière synchrone. Nous ne pouvions pas comprendre cela sans supposer que les paquets d'ondes électroniques excités par les impulsions lumineuses oscilleraient de manière cohérente entre le polymère et le fullerène. » Tous les collègues avec lesquels les scientifiques ont discuté de ces premiers résultats, obtenu par la doctorante Sarah Falke d'Oldenburg en étroite collaboration avec l'équipe de Giulio Cerullo du Politecnico di Milano, des experts de premier plan en spectroscopie ultrarapide, étaient sceptiques. "Dans de tels mélanges organiques, la morphologie de l'interface entre le polymère et le fullerène est très complexe et les deux fragments ne sont pas liés de manière covalente", dit Lienau, "par conséquent, on ne peut pas s'attendre à ce que la cohérence vibronique persiste même à température ambiante. Nous avons donc demandé à Elisa Molinari et Carlo A. Rozzi, de l'Istituto Nanoscienze du CNR et de l'Université de Modène et Reggio Emilia, pour obtenir de l'aide." Une série de simulations de dynamique quantique sophistiquées, interprété par Rozzi et ses collègues, fourni des films impressionnants de l'évolution du nuage électronique et des noyaux atomiques dans ce système, qui sont responsables des oscillations trouvées dans les expériences. "Nos calculs indiquent", dit Molinari, "que le couplage entre les électrons et les noyaux est d'une importance cruciale pour l'efficacité du transfert de charge. Adapter ce couplage en faisant varier la morphologie et la composition du dispositif peut donc être important pour optimiser l'efficacité du dispositif".