Bien que l’on observe un niveau d’énergie élevé dans le spectre ultraviolet et visible de la lumière, la plus grande partie de l’énergie solaire se trouve dans l’infrarouge.
Il y existe cependant un revers à la récupération dans ce type de lumière. Les cellules solaires sont efficaces dans l’infrarouge, mais elles perdent une grande partie de l’énergie disponible des photons les plus énergétiques dans la partie visible du spectre.
Lorsqu’un photon est absorbé, il crée une seule excitation électronique (exciton) qui est ensuite séparée en un électron et un trou chargé positivement, indépendamment de l’énergie lumineuse. Un moyen d’améliorer son efficacité consisterait à diviser en 2 l’énergie disponible à partir des photons visibles, ce qui conduit à un doublement du courant dans la cellule solaire.
Les chercheurs de Cambridge et de Mons ont étudié le processus par lequel l’exciton initial peut être divisé en 1 paire de demi-énergie. Cela peut se produire dans certaines molécules organiques lorsque l’effet mécanique quantique de l’électron en mouvement fixe l’état du ‘Singulet’ initial au double de l’énergie dans l’organisation du ‘triplet’.
L’étude, publiée dans la revue ‘Nature Chemistry’, montre que ce processus de fission du ‘Singulet‘ en paire de ‘Triplet‘ dépend des interactions ultra-sensibles entre molécules. En étudiant le processus de solution moléculaire, il est possible de contrôler le moment où ce procédé est mis en marche.
Lorsque la matière est très diluée, la distance entre les molécules est grande ; la fission du Singulet ne peut donc pas se produire. Lorsque la solution est concentrée, les collisions entre les molécules sont plus fréquentes. Les chercheurs ont constaté que la phase de fission se produisait dès lors que 2 de ces molécules étaient en contact, et remarquablement, que la fission du ‘singulet’ est alors totalement efficace, de sorte que chaque photon produit 2 triplets.
Cette étude apporte un nouvel éclairage fondamental dans le processus de fission du ‘Singulet‘ qui démontre que sa compréhension puis son utilisation pourrait grandement améliorer les cellules solaires. Les chimistes auront la possibilité d’utiliser ces résultats pour réaliser de nouveaux matériaux, a indiqué l’équipe du laboratoire de Cavendish (Cambridge), qui travaille actuellement sur les façons d’intégrer ces solutions dans certains dispositifs.
"Nous avons commencé par revenir aux fondamentaux, en regardant le défi de l’énergie solaire à partir d’une perspective de ciel bleu," a déclaré le Dr Brian Walker, chercheur appartenant au groupe d’optoélectronique du Cavendish Lab, et qui a dirigé l’étude.
"La fission du ‘Singulet’ propose un itinéraire pour booster l’efficacité des cellules solaires en utilisant des matériaux à faible coût. Nous commençons seulement à comprendre comment ce processus fonctionne, et plus nous en apprenons et plus nous nous attendons à des améliorations technologiques à venir."
L’équipe a utilisé une combinaison d’expériences faîte de laser – qui mesurent le temps avec une extrême précision – avec des méthodes chimiques utilisées dans l’analyse des mécanismes de réaction. Cette double approche a permis aux chercheurs de ralentir la fission et d’observer une étape intermédiaire clé, jamais observée.
"Très peu de laboratoires dans le monde possèdent un appareil laser aussi polyvalent que le notre à Cambridge", a ajouté Andrew Musser, un autre chercheur qui a collaboré à l’étude. "Cela nous a permis d’obtenir une étape plus proche pour observer précisément comment la fission du ‘Singulet’ se produisait."
rendement PV toujours amélioré, et encore améliorable, que du positif.