Un type relativement nouveau de semi-conducteur, superposé à une structure en miroir, peut imiter la façon dont les feuilles déplacent l'énergie du soleil sur des distances relativement longues avant de l'utiliser pour alimenter des réactions chimiques. Cette approche pourrait un jour améliorer l'efficacité des cellules solaires.
"Le transport de l'énergie est l'une des étapes cruciales pour la récolte et la conversion de l'énergie solaire dans les cellules solaires", a déclaré Bin Liu, chercheur postdoctoral en génie électrique et informatique et premier auteur de l'étude publiée dans la revue Optica.
"Nous avons créé une structure qui peut supporter des états de mélange hybride lumière-matière, permettant un transport d'énergie efficace et exceptionnellement longue distance."
L'une des façons dont les cellules solaires perdent de l'énergie est dans les courants de fuite générés en l'absence de lumière. Cela se produit dans la partie de la cellule solaire qui prend les électrons chargés négativement et les "trous" chargés positivement, générés par l'absorption de la lumière, et les sépare à une jonction entre différents semi-conducteurs pour créer un courant électrique.
Dans une cellule solaire conventionnelle, la zone de jonction est aussi grande que la zone qui collecte la lumière, de sorte que les électrons et les trous n'ont pas à aller loin pour l'atteindre. Mais l'inconvénient est la perte d'énergie due à ces courants de fuite.
La nature minimise ces pertes dans la photosynthèse grâce aux grands "complexes d'antennes" collecteurs de lumière dans les chloroplastes et aux "centres de réaction" beaucoup plus petits où les électrons et les trous sont séparés pour être utilisés dans la production de sucre. Cependant, ces paires électron-trou, appelées excitons, sont très difficiles à transporter sur de longues distances dans les semi-conducteurs.
M. Liu explique que les complexes photosynthétiques peuvent y parvenir grâce à leurs structures hautement ordonnées, mais que les matériaux fabriqués par l'homme sont généralement trop imparfaits.
Le nouveau dispositif contourne ce problème en ne convertissant pas entièrement les photons en excitons, mais en conservant leurs qualités lumineuses. Le mélange photon-électron-trou est connu sous le nom de polariton. Sous forme de polariton, ses propriétés lumineuses permettent à l'énergie de franchir rapidement des distances relativement grandes de 0,1 millimètre, ce qui est encore plus loin que les distances parcourues par les excitons à l'intérieur des feuilles.
L'équipe a créé les polaritons en superposant le semi-conducteur fin et absorbant la lumière à une structure photonique qui ressemble à un miroir, puis en l'éclairant. Cette partie du dispositif agit comme le complexe d'antenne des chloroplastes, en recueillant l'énergie lumineuse sur une grande surface. Grâce à la structure en forme de miroir, le semi-conducteur achemine les polaritons vers un détecteur, qui les convertit en courant électrique.
"L'avantage de cet arrangement est qu'il peut améliorer considérablement l'efficacité de la production d'énergie des cellules solaires classiques où les régions de collecte de la lumière et de séparation des charges coexistent sur la même surface", a déclaré Stephen Forrest, professeur émérite d'ingénierie Peter A. Franken, qui a dirigé les recherches.
Si l'équipe sait que le transport d'énergie se produit dans son système, elle n'est pas totalement sûre que l'énergie se déplace en permanence sous la forme d'un polariton. Il se pourrait que le photon surfe en quelque sorte sur une série d'excitons sur son chemin vers le détecteur. Ils laissent ce détail fondamental aux travaux futurs, ainsi que la question de savoir comment construire des dispositifs efficaces de collecte de la lumière qui exploitent le transfert d'énergie de type photosynthèse.
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