Un photon pour deux électrons, le futur du photovoltaïque ?

Le photovoltaïque, cette technologie cruciale de conversion de la lumière en électricité pour une énergie durable, trouve ses racines dans les travaux de Max Planck et Albert Einstein. Ces derniers ont révélé que la lumière et l’électricité sont quantifiées, c’est-à-dire qu’elles se présentent sous forme de petits paquets appelés photons et électrons.

Dans une cellule solaire, l’énergie d’un seul photon est transférée à un seul électron du matériau, sans excès. Toutefois, quelques matériaux moléculaires comme le pentacène font exception, permettant la conversion d’un photon en deux électrons. Ce doublement d’excitation, connu sous le nom de fission d’excitons, pourrait être extrêmement utile pour le photovoltaïque à haute efficacité, notamment pour améliorer la technologie dominante à base de silicium.

Une équipe de chercheurs de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, de l’Université Technique de Berlin et de l’Université Julius-Maximilians de Würzburg, a récemment décodé la première étape de ce processus. Ils ont réalisé un film ultra-rapide de la conversion du photon en électricité, mettant fin à un débat vieux de plusieurs décennies sur le mécanisme de ce processus.

« Quand le pentacène est excité par la lumière, les électrons dans le matériau réagissent rapidement« , explique le Prof. Ralph Ernstorfer, co-auteur principal de l’étude. « La question très disputée était de savoir si un photon excite directement deux électrons ou d’abord un électron, qui partage ensuite son énergie avec un autre électron.« 

Pour résoudre ce mystère, les chercheurs ont utilisé une spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle, une technique de pointe pour observer la dynamique des électrons à l’échelle de la femtoseconde (un milliardième de milliardième de seconde). Cette caméra de cinéma ultra-rapide leur a permis de capturer des images des électrons excités éphémères pour la première fois.

« Cette visualisation des électrons était cruciale pour déchiffrer le processus« , déclare Alexander Neef, de l’Institut Fritz Haber et premier auteur de l’étude. « Un électron excité a non seulement une énergie spécifique, mais il se déplace aussi selon des motifs distincts, appelés orbitales. Il est bien plus facile de distinguer les électrons si nous pouvons observer la forme de leurs orbitales et comment celles-ci évoluent dans le temps. »

Grâce aux images de ce film ultra-rapide, les chercheurs ont pu décomposer pour la première fois la dynamique des électrons excités en fonction de leurs caractéristiques orbitales. « Nous pouvons désormais affirmer avec certitude qu’un seul électron est directement excité et avons identifié le mécanisme de ce processus de doublement de l’excitation« , ajoute Alexander Neef.

Connaître le mécanisme de la fission d’excitons est essentiel pour l’utiliser dans des applications photovoltaïques. Une cellule solaire en silicium améliorée avec un matériau à double excitation pourrait augmenter l’efficacité de la conversion solaire en électricité d’un tiers.

Un tel progrès pourrait avoir des impacts énormes car l’énergie solaire sera la principale source d’énergie du futur. Déjà aujourd’hui, d’importants investissements sont réalisés dans la construction de ces cellules solaires de troisième génération.

Légende illustration / Émergence de l’exciton bitriplet dans le pentacène cristallin. ©TU Berlin