La conversion de la lumière en électricité dans les cellules solaires filmée pour la première fois en temps réel
Les cellules solaires organiques pourraient être l’une des technologies clés de ce siècle. Avec une grande efficacité, elles transforment la lumière en électricité. Cependant, les processus de transformation sont si complexes qu’ils étaient jusqu’à présent privés d’une observation scientifique directe. Des scientifiques de l’Université Carl von Ossietzky d’Oldenbourg (Basse-Saxe), en partenariat avec des chercheurs des universités de Milan et Modène (Italie), ont pour la première fois pu filmer la conversion de la lumière en électricité dans une cellule solaire organique en temps réel. Un article sur le sujet a été publié le 30 mai dans la revue Science [1]. Les scientifiques montrent que la transformation repose essentiellement sur des principes de mécanique quantique – notamment la nature ondulée des électrons et leur couplage avec les noyaux atomiques.
Les cellules solaires organiques utilisent des nanomatériaux de polymères et fullerènes [2] pour transformer la lumière du soleil en électricité. Ceux-ci sont peu coûteux, légers, souples et peuvent être adaptés à n’importe quelle couleur. Les polymères conjugués constituent de longues chaînes d’atomes de carbone, et agissent sur la conversion de lumière en électricité comme un absorbeur de lumière. Jusqu’à présent, toutes les expériences ont pu indiquer que le courant est généré par des particules d’électrons du polymère « sautant » sur les fullerènes alentours.
« Nos premières expériences ont été très surprenantes », déclare Christoph Lienau, chef de l’équipe à Oldenbourg. Les scientifiques ont généré des impulsions lumineuses extrêmement courtes à l’échelle de la femtoseconde pour éclairer la couche de polymère dans une cellule organique. Selon leurs résultats, les impulsions lumineuses ne font pas seulement vibrer les noyaux atomiques, mais agissent également sur les électrons de façon à ce qu’ils se comportent comme des ondes faisant des allers-retours entre le polymère et le fullerène. « Nous ne nous attendions pas à ces résultats, car dans les cellules vivantes, l’interface entre les polymères et les fullerènes est extrêmement complexe, et les deux composants ne sont pas reliés par une liaison atomique. », explique M. Lienau.
Les scientifiques partenaires italiens ont réussi à filmer l’évolution temporelle des électrons et noyaux atomiques, permettant de représenter le système responsable des oscillations détectées expérimentalement. « Nos calculs montrent que le mouvement concerté des noyaux atomiques est très important pour un transfert de charge efficace « , a déclaré Elisa Molinari, de l’Institut de nanosciences du Conseil National de la Recherche en Italie. « Ils doivent bouger pour que le courant passe. »
Les scientifiques ne s’avancent pas encore à prédire que ces nouveaux résultats conduiront rapidement à l’amélioration des cellules solaires. « Mais ils fournissent de nouveaux aperçus frappants sur les processus fondamentaux de la photovoltaïque organique. Nous avons pu montrer que des phénomènes se produisent également dans les cellules organiques, comme ce qui est le cas dans la nature avec la photosynthèse « , déclare M. Lienau.
Des études récentes ont suggéré que la cohérence quantique peut jouer un rôle central dans la photosynthèse. Les résultats des chercheurs allemands et italiens sont maintenant des preuves que des phénomènes similaires agissent dans le fonctionnement des systèmes photovoltaïques: « C’est un progrès conceptuel, qui se glissera dans la conception des futurs collecteurs artificiels de lumière et des cellules solaires », conclut M. Lienau.
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[2] Les fullerènes sont des molécules sphériques d’atomes de carbone.
Pour en savoir plus, contacts :
– [1] La référence de l’article publié dans la revue Science est la suivante : »Coherent ultrafast charge transfer in an organic photovoltaic blend »; Authors: Sarah Maria Falke, Carlo Andrea Rozzi, Daniele Brida, Margherita Maiuri, Michele Amato, Ephraim Sommer, Antonietta De Sio, Angel Rubio, Giulio Cerullo, Elisa Molinari and Christoph Lienau, Science 344, 1001 (2014), doi: 10.1126/science.1249771.
– Christoph Lienau, groupe de travail de nano-optique ultra-rapide, Institut de physique, Université d’Oldenbourg – tél. : +49 441 798 3485 – email : christoph.lienau@uni-oldenburg.de
Sources :
« Wackeln hilft: Umwandlung von Licht in Strom in organischen Solarzellen erstmals in Echtzeit gefilmt », communiqué de presse de l’Université Carl von Ossietzky d’Oldenbourg – 30/05/2014 – http://www.presse.uni-oldenburg.de/mit/2014/213.html
Rédacteurs :
Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/