Solaire photovoltaïque organique : rôle de la nature quantique des électrons dans la conversion de la lumière en électricité
Les panneaux solaires doivent convertir la lumière en électricité aussi efficacement que possible. Des scientifiques des Instituts de physique et de chimie de l’Université d’Oldenbourg (Basse-Saxe) sont parvenus à montrer que la nature ondulatoire quantique des électrons joue un rôle crucial dans la rapidité et l’efficacité du transfert d’électrons ; leurs travaux ont été publiés dans le dernier numéro de la revue Nature Communications [1].
Les cellules photovoltaïques organiques absorbent la lumière dans une couche de polymère, de laquelle s’échappent des électrons pour se retrouver dans une couche environnante jouant le rôle d’accepteur d’électrons. Ce transfert d’électrons a lieu à des échelles de temps extrêmement rapides de seulement quelques dizaines ou centaines de femto-secondes [2]. « Inspirés par les travaux théoriques de nos partenaires italiens de Modène, nous avons réalisé une modélisation simplifiée d’une cellule solaire organique sous la forme d’une triade supramoléculaire [3] », a déclaré Christoph Lienau, chef du groupe de travail « nano-optique ultra-rapide » de l’Institut de physique de l’Université. A l’aide de lasers sophistiqués et à très haute résolution, les chercheurs d’Oldenburg, en collaboration avec leurs collègues du département de physique de l’Ecole polytechnique de Milan, ont pu enregistrer une « vidéo » du mouvement des électrons induit par la lumière. « Nous avons pu analyser les propriétés optiques de cette triade supramoléculaire avec, pour la première fois, une résolution temporelle inférieure à 10 femto-secondes », a déclaré Sarah Falke, doctorante dans l’équipe de M. Lienau. » Nous avons ainsi observé comment les électrons, sous forme de paquets d’ondes (au sens quantique), oscillent à plusieurs reprises entre l’absorbeur de lumière et l’accepteur d’électrons, avant qu’ils ne restent piégés dans l’accepteur. »
La clé de ce succès a résidé dans la coopération étroite entre la chimie et la physique expérimentale et théorique. « Nos résultats apportent un éclairage nouveau sur les processus élémentaires de la conversion de la lumière en électricité dans les cellules photovoltaïques organiques », explique M. Lienau. « Nous tentons de les confirmer rapidement grâce à d’autres modélisations et nous espérons qu’une meilleure compréhension du transfert d’électrons permettra à moyen terme une amélioration du rendement des cellules photovoltaïques ». Ces travaux déclenchent néanmoins de nouvelles questions : « Par exemple, nous ne savons pas encore exactement à l’aide de quelles méthodes issues de la mécanique quantique, la conversion de lumière en électricité peut être quantitativement décrite dans des cellules solaires d’une telle complexité. » Les scientifiques d’Oldenbourg cherchent des réponses à ces questions dans le cadre du projet européen « CRONOS : Modelling Ultrafast Dynamics in Materials » (modélisation de la dynamique ultrarapide dans les matériaux) [4].
[2] Une femto-seconde vaut 10^(-15) seconde.
[3] Une triade est un groupe de trois éléments ayant des propriétés chimiques voisines.
[4] Le projet européen CRONOS cherche à développer une théorie quantitative, flexible et entièrement atomistique de la dynamique ultrarapide dans les matériaux réels. Les domaines d’application concernent à la fois les nouveaux matériaux pour la production d’énergie solaire et le stockage magnétique de données à très haute densité. Il regroupe neuf partenaires de sept pays, dont l’Allemagne et la France ; parmi eux se trouvent cinq universités, trois centres de recherche et une PME. Il est financé par la Commission européenne dans le cadre du 7ème Programme de recherche européen (FP7). Pour plus d’informations, voir le site internet du projet CRONOS : http://www.cronostheory.eu/ .
Pour en savoir plus, contacts :
– [1] L’article est consultable sur le site internet de la revue Nature Communications : « Quantum coherence controls the charge separation in a prototypical artificial light-harvesting system », Carlo Andrea Rozzi, Sarah Maria Falke, Nicola Spallanzani, Angel Rubio, Elisa Molinari, Daniele Brida, Margherita Maiuri, Giulio Cerullo, Heiko Schramm, Jens Christoffers & Christoph Lienau – 19/03/2013 – http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n3/full/ncomms2603.html
– Prof. Dr. Christoph Lienau, chef du groupe de travail « Nano-optique ultra-rapide » – Institut de Physique, Université d’Oldenbourg – tél. : +49 441 798 3485 – email : christoph.lienau@uni-oldenburg.de
Sources :
« Welle oder Teilchen? Wie Licht in organischen Solarzellen in Strom umgewandelt wird », communiqué de presse de l’Université d’Oldenbourg – 19/03/2013 – http://www.presse.uni-oldenburg.de/mit/2013/094.html
Rédacteurs :
Hélène Benveniste, helene.benveniste@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/