Décrypter le cycle de vie des charges photogénérées

Des impulsions laser visibles excitent des électrons dans des molécules attachées à un substrat de nanoparticules. De courtes impulsions de rayons X suivent les électrons tout au long de leur aller-retour entre les molécules et les nanoparticules pour montrer quand, où et pourquoi les électrons bougent ou restent bloqués. Crédit :Oliver Gessner et Johannes Mahl, Division des sciences chimiques, Lawrence Berkeley National Laboratory

De nouveaux matériaux permettront à de nouvelles technologies de transformer la lumière du soleil en électricité et en carburant. Des combinaisons de molécules et de minuscules nanoparticules font de ces matériaux une réalité. Les molécules de ces matériaux absorbent très bien la lumière du soleil et donnent des électrons aux nanoparticules. Les nanoparticules déplacent ensuite les électrons et catalysent les réactions qui produisent le carburant. Cependant, ce processus ne fonctionne pas toujours comme les chercheurs l'espèrent. Les scientifiques ont maintenant trouvé un moyen de suivre les électrons tout au long de leur aller-retour des molécules aux nanoparticules et vice-versa. Les chercheurs peuvent mesurer où les électrons peuvent se déplacer facilement et si, où, quand et pourquoi ils restent bloqués. Ces informations sont cruciales pour trouver de meilleures combinaisons de matériaux innovants.

L'étude, publiée dans The Journal of Physical Chemistry Letters , présente un nouvel outil expérimental capable de suivre les électrons se déplaçant entre les molécules et les nanoparticules qui convertissent la lumière du soleil en électricité ou en carburant. Il s'avère qu'un matériau nanoparticulaire très courant, l'oxyde de zinc, bloque d'abord les électrons pendant un certain temps. Le matériau ne laisse alors passer les électrons qu'à la surface même des nanoparticules. Il est donc probable que les charges puissent se perdre ou endommager le matériau nanoparticulaire. Idéalement, les charges devraient voyager sans pause et directement à travers les nanoparticules. La capacité de révéler ces goulots d'étranglement pour le voyage des électrons aidera les chercheurs à concevoir de meilleurs matériaux pour transformer la lumière du soleil en d'autres formes d'énergie.

Pour transformer la lumière du soleil en électricité ou en carburant, un matériau doit absorber la lumière et diriger l'énergie lumineuse vers les électrons. Ensuite, les électrons doivent se déplacer pour former un courant ou permettre des réactions chimiques. Une façon de réaliser les deux étapes consiste à utiliser des molécules très efficaces pour capter la lumière du soleil et à les attacher à des substrats très efficaces pour déplacer les électrons. Les chercheurs savaient auparavant que les électrons pouvaient se déplacer à l'intérieur du matériau oxyde de zinc beaucoup plus facilement que dans de nombreux autres matériaux. Malgré cela, les électrodes en oxyde de zinc ne fonctionneraient pas aussi bien que les électrodes en d'autres matériaux. Que se passe-t-il?

À l'aide d'une technique appelée spectroscopie photoélectronique à rayons X résolue en temps à l'Advanced Light Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie (DOE), les chercheurs sont désormais en mesure de suivre le chemin des électrons des molécules aux substrats et retour . Ils ont constaté que les électrons sont longtemps coincés entre les molécules et l'oxyde de zinc. Lorsque les électrons font enfin le saut, le matériau continue de les pousser vers la surface du substrat. Là, les électrons sont piégés plus facilement que s'ils étaient capables de traverser directement la masse du substrat. Cette étude permet d'expliquer pourquoi les substrats d'oxyde de zinc ne fonctionnent pas aussi bien que prévu. Il fournit également un nouveau schéma de test pour les futurs matériaux. + Explorer plus loin