Les cellules photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité, et restent des dispositifs technologiques clés pour répondre à l’un des défis auquel l’humanité doit faire face : "une production durable d’énergie propre et renouvelable".
Les cellules solaires organiques, en utilisant des matériaux polymères pour capter la lumière du soleil, possèdent des propriétés particulièrement favorables. En plus d’être légère, souple et à faible coût, leur couleur peut être adaptée en faisant varier la composition du matériau.
Ces cellules solaires sont généralement constituées de mélanges nanostructurés en polymère (longues chaînes d’atomes de carbone), agissant comme des amortisseurs de lumière, et les fullerènes (sphère de carbone à l’échelle nanométrique), agissant comme accepteurs d’électrons. La première étape – élémentaire – qui intervient dans le procédé de conversion de la lumière en courant (transfert de la lumière induite d’un électron à partir du polymère de fullerène), se produit à une vitesse telle qu’il demeurait extrêmement difficile de le suivre en temps réel.
Une équipe de chercheurs allemands et italiens* a réussi à prendre les premiers "vrais" films du processus de conversion de la lumière en courant dans une cellule solaire organique.
Dans un rapport publié le mai 30 dans la revue Science Magazine, les chercheurs montrent que la mécanique quantique, la nature ondulatoire des électrons et leur couplage aux noyaux sont d’une importance fondamentale pour le transfert de charge dans un dispositif photovoltaïque organique.
"Nos premiers résultats étaient effectivement très surprenant", a déclaré Christoph Lienau, professeur de physique à l’Université d’Oldenburg. "Lorsque nous avons utilisé des impulsions lasers très courtes, mesurées en femtoseconde (1 milliardième de millionième de seconde, soit 0,000000000000001 seconde) pour éclairer la couche polymère dans une cellule organique, nous avons constaté que les impulsions lumineuses induisaient des oscillations, des mouvements vibratoires de la part de ces mêmes molécules. De façon inattendue, toutefois, nous avons constaté aussi que les molécules de fullerène ont tous commencé à vibrer de façon synchrone. Nous ne pouvions pas comprendre cela sans supposer que les paquets d’ondes électroniques excités par les impulsions lumineuses constituaient des oscillations cohérentes entre le polymère et le fullerène".
Face à ces résultats, les grands spécialistes en spectroscopie ultrarapide restaient assez sceptiques.
"Dans de tels mélanges organiques, la morphologie de l’interface entre le polymère et le fullerène reste très complexe et les deux parties ne sont pas liées de façon covalente", a indiqué Christoph Lienau, "donc, on peut pas s’attendre à ce que la cohérence vibronique persiste même à température ambiante."
L’équipe a donc fait appel à plusieurs spécialistes afin d’approfondir les recherches. Une série de simulations complexes des dynamiques quantiques ont abouti a un film impressionnant montrant l’évolution du nuage électronique et des noyaux atomiques dans le dispositif.
"Nos calculs indiquent que le couplage entre les électrons et les noyaux est d’une importance cruciale pour l’efficacité du transfert de charge. Adapter ce couplage en faisant varier la morphologie du dispositif et la composition peut être important pour optimiser l’efficacité de l’ensemble" a précisé Elisa Molinari de l’Istituto Nanoscienze de la CNR.
Simulation quantique en temps réel de la conversion de la lumière en courant dans une cellule solaire organique composé d’une chaîne de polymère, et d’un fullerène. Le film dure environ 100 femtosecondes (fs), et est ralenti environ trois cent mille milliards de fois par rapport au véritable phénomène ultrarapide. La quantité représentée illustre les oscillations ondulatoires d’un électron après que la lumière soit absorbée au temps 0. Chaque fois qu’une "ampoule" (une molécule de fullerène) s’allume, un courant circule du bas vers le haut de la cellule solaire miniature.
Les nouveaux résultats peuvent t-ils conduire immédiatement à de meilleures cellules solaires ?
"Ces études spectroscopiques ultrarapides, et en particulier leur comparaison avec la modélisation théorique avancée, donnent un aperçu impressionnant et direct dans les phénomènes fondamentaux qui déclenchent le processus dans le photovoltaïque organique. Ils se révèlent être très similaires aux stratégies développées par la nature comme la photosynthèse" a ajouté Christoph Lienau.
"Des études récentes indiquent que la cohérence quantique joue apparemment un rôle important dans ce cas. Notre nouvelle analyse fournit des preuves pour des phénomènes similaires dans des dispositifs photovoltaïques artificiels fonctionnels. C’est donc une avancée conceptuelle qui pourrait nous guider dans la conception de futurs systèmes collecteurs de lumière artificielle et ceci dans le but d’atteindre une efficacité encore inégalée".
* Oldenburg, Modène et Milan
