Quatre impulsions de lumière laser sur des photocellules à nanoparticules dans une expérience de spectroscopie de l'Université de l'Oregon ont ouvert une fenêtre sur la façon dont la lumière solaire capturée peut être convertie en électricité.

L'oeuvre, qui pourraient potentiellement inspirer des dispositifs avec une efficacité améliorée dans la conversion de l'énergie solaire, a été réalisée sur des cellules photoélectriques utilisant des points quantiques de sulfure de plomb comme matériau semi-conducteur photoactif. La recherche est détaillée dans un article mis en ligne par la revue Communication Nature .

Dans le processus étudié, chaque photon, ou particule de lumière solaire, qui est absorbé crée potentiellement plusieurs paquets d'énergie appelés excitons. Ces paquets peuvent ensuite générer plusieurs électrons libres qui génèrent de l'électricité dans un processus connu sous le nom de génération d'excitons multiples (MEG). Dans la plupart des cellules solaires, chaque photon absorbé crée un seul électron libre potentiel.

La génération d'excitons multiples est intéressante car elle peut conduire à des cellules solaires qui génèrent plus de courant électrique et les rendent plus efficaces. Les travaux de l'UO jettent un nouvel éclairage sur le processus peu compris du MEG dans les nanomatériaux.

Alors que l'importance potentielle du MEG dans la conversion de l'énergie solaire est débattue par les scientifiques, l'expérience de spectroscopie UO - adaptée en collaboration avec des scientifiques de l'université suédoise de Lund - devrait être utile pour étudier de nombreux autres processus dans les nanomatériaux photovoltaïques, dit Andrew H. Marcus, professeur de chimie physique et chef du département de chimie et de biochimie de l'UO.

Des expériences spectroscopiques précédemment conçues par Marcus pour effectuer une spectroscopie de fluorescence bidimensionnelle de molécules biologiques ont été adaptées pour mesurer également le photocourant. "La spectroscopie concerne la lumière et les molécules et ce qu'elles font ensemble, " a déclaré Marcus. "C'est une très bonne sonde qui nous aide à nous renseigner sur la voie de réaction qui relie le début d'un processus chimique ou physique à sa fin.

"L'approche est similaire à regarder comment les molécules se rassemblent dans l'ADN, mais à la place, nous avons examiné les interactions au sein des matériaux semi-conducteurs, " dit Marcus, affilié à l'Institut de biologie moléculaire de l'UO, Materials Science Institute et Oregon Center for Optics. "Notre méthode a permis d'examiner les voies électroniques impliquées dans la création de plusieurs excitons. L'existence de ce phénomène n'avait été déduite que par des preuves indirectes. Nous pensons avoir vu les premières étapes menant à la photoconductivité médiée par le MEG."

Le séquençage contrôlé des impulsions laser a permis à l'équipe de recherche de sept membres de voir - en femtosecondes (une femtoseconde est un millionième d'un milliardième de seconde) - l'arrivée de la lumière, son interaction avec les électrons au repos et la conversion ultérieure en excitons multiples. L'utilisation combinée du photocourant et de la spectroscopie bidimensionnelle de fluorescence, Marcus a dit, fourni des informations complémentaires sur la voie réactionnelle.

Le co-auteur de l'UO, Mark C. Lonergan, professeur de chimie physique et des matériaux, qui étudie les phénomènes électriques et électrochimiques dans les systèmes à l'état solide, a comparé les processus observés à des personnes se déplaçant dans un labyrinthe de maïs qui a une entrée et trois sorties.

Les personnes entrant dans le labyrinthe sont des photons. Ceux qui sortent rapidement représentent des photons absorbés qui génèrent une chaleur inutilisable. Les personnes quittant la deuxième sortie représentent d'autres photons absorbés qui génèrent de la fluorescence mais pas des électrons libres utilisables. Les personnes quittant la sortie finale signifient un courant électrique utilisable.

"La question qui nous intéresse est exactement à quoi ressemble le labyrinthe, " a déclaré Lonergan. " Le problème est que nous n'avons pas de bonnes techniques pour regarder à l'intérieur du labyrinthe pour découvrir les voies possibles à travers lui. Les techniques qu'Andy a développées nous permettent essentiellement de voir dans le labyrinthe en encodant ce qui sort du système en fonction de ce qui y entre exactement. Nous pouvons visualiser ce qui se passe, si deux personnes entrant dans le labyrinthe se sont serré la main à un moment donné et des détails sur le chemin qui les a conduits à sortir par la sortie électrique. »

Le projet a commencé lorsque Tonu Pullerits, qui étudie la photochimie ultrarapide dans les matériaux moléculaires semi-conducteurs à l'Université de Lund, a approché Marcus au sujet de l'adoption de son système spectroscopique pour examiner les matériaux solaires. Khadga J. Karki, chercheur postdoctoral au laboratoire de Pullerits, a ensuite visité l'UO et fait équipe avec les groupes Marcus et Lonergan pour reconfigurer l'équipement.