Les rayons solaires sont abondants, source d'énergie propre qui devient de plus en plus importante alors que le monde s'efforce de s'éloigner des sources d'énergie qui contribuent au réchauffement climatique. Mais les méthodes actuelles de récolte des charges solaires sont coûteuses et inefficaces, avec une limite d'efficacité théorique de 33 %. De nouveaux nanomatériaux développés par des chercheurs de l'Advanced Science Research Center (ASRC) du Graduate Center de la City University of New York (CUNY) pourraient ouvrir la voie à une récolte plus efficace et potentiellement abordable de l'énergie solaire.

Les matériaux, créé par des scientifiques de l'Initiative Nanoscience de l'ASRC, utiliser un processus appelé fission singulet pour produire et prolonger la durée de vie des électrons générés par la lumière récupérables. La découverte est décrite dans un article récemment publié dans le Journal de chimie physique . Les premières recherches suggèrent que ces matériaux pourraient créer des charges plus utilisables et augmenter l'efficacité théorique des cellules solaires jusqu'à 44%.

"Nous avons modifié certaines des molécules dans les colorants industriels couramment utilisés pour créer des matériaux d'auto-assemblage qui facilitent un plus grand rendement d'électrons récupérables et prolongent la durée de vie des électrons à l'état xcité, nous donnant plus de temps pour les collecter dans une cellule solaire, " a déclaré Andrew Levine, auteur principal de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant au Centre d'études supérieures.

Le processus d'auto-assemblage, Levine a expliqué, provoque l'empilement des molécules de colorant d'une manière particulière. Cet empilement permet aux colorants qui ont absorbé des photons solaires de se coupler et de partager de l'énergie avec — ou « d'exciter » — les colorants voisins. Les électrons de ces colorants se découplent ensuite pour pouvoir être collectés sous forme d'énergie solaire récupérable.

Méthodologie et résultats

Pour développer les matériaux, les chercheurs ont combiné diverses versions de deux colorants industriels fréquemment utilisés :le dicétopyrrolopyrrole (DPP) et le rylène. Cela a abouti à la formation de six superstructures auto-assemblées, que les scientifiques ont étudié en utilisant la microscopie électronique et la spectroscopie avancée. Ils ont découvert que chaque combinaison présentait de subtiles différences de géométrie qui affectaient les états excités des colorants, l'apparition d'une fission singulet, et le rendement et la durée de vie des électrons récupérables. Importance

"Ce travail nous fournit une bibliothèque de nanomatériaux que nous pouvons étudier pour récolter l'énergie solaire, " a déclaré le professeur Adam Braunschweig, chercheur principal de l'étude et professeur agrégé à l'ASRC Nanoscience Initiative et aux départements de chimie du Hunter College et du Graduate Center. "Notre méthode pour combiner les colorants en matériaux fonctionnels à l'aide de l'auto-assemblage signifie que nous pouvons ajuster soigneusement leurs propriétés et augmenter l'efficacité du processus critique de récolte de lumière."

La capacité des matériaux à s'auto-assembler pourrait également raccourcir le temps de création de cellules solaires commercialement viables, ont dit les chercheurs, et s'avèrent plus abordables que les méthodes de fabrication actuelles, qui reposent sur le processus fastidieux de la synthèse moléculaire.

Le prochain défi de l'équipe de recherche est de développer une méthode de récolte des charges solaires créées par leurs nouveaux nanomatériaux. Actuellement, ils travaillent à la conception d'une molécule de rylène qui peut accepter l'électron de la molécule DPP après le processus de fission singulet. En cas de succès, ces matériaux initieraient à la fois le processus de fission singulet et faciliteraient le transfert de charge dans une cellule solaire.