Fission d'excitons - un photon entre, deux électrons sortent
La fission d'excitons pourrait être extrêmement utile pour les cellules photovoltaïques à haut rendement
La photovoltaïque, c'est-à-dire la conversion de la lumière en électricité, est une technologie clé pour l'énergie durable. Depuis Max Planck et Albert Einstein, nous savons que la lumière et l'électricité sont quantifiées, c'est-à-dire qu'elles se présentent sous la forme de minuscules paquets appelés photons et électrons. Dans une cellule solaire, l'énergie d'un seul photon est transférée à un seul électron du matériau, mais pas plus. Seuls quelques matériaux moléculaires, comme le pentacène, constituent une exception : un photon y est converti en deux électrons. Ce doublement de l'excitation, appelé fission d'exciton, pourrait être extrêmement utile pour les systèmes photovoltaïques à haut rendement, en particulier pour améliorer la technologie dominante basée sur le 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 vient de décrypter la première étape de ce processus en enregistrant un film ultrarapide du processus de conversion des photons en électricité, résolvant ainsi un débat vieux de plusieurs décennies sur le mécanisme de ce processus.
Emergence de l'exciton bitriplet dans le pentacène cristallin.
TU Berlin
"Lorsque le pentacène est excité par la lumière, les électrons du matériau réagissent rapidement", explique le professeur Ralph Ernstorfer, l'un des principaux auteurs de l'étude. Ralph Ernstorfer, auteur principal de l'étude. "La question de savoir si un photon excite deux électrons directement ou d'abord un électron, qui partage ensuite son énergie avec un autre électron, était ouverte et très controversée."
Pour percer ce mystère, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de photoémission résolue dans le temps et dans l'angle, une technique de pointe qui permet d'observer la dynamique des électrons à l'échelle de la femtoseconde, soit un milliardième de millionième de seconde. Cette caméra électronique ultrarapide leur a permis de capturer pour la première fois des images d'électrons excités fugaces.
"Voir ces électrons était crucial pour déchiffrer le processus", explique 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 également selon des schémas distincts, appelés orbitales. Il est beaucoup plus facile de distinguer les électrons si nous pouvons voir la forme de leurs orbitales et leur évolution dans le temps".
Grâce aux images du film électronique ultrarapide, les chercheurs ont décomposé pour la première fois la dynamique des électrons excités sur la base de leurs caractéristiques orbitales. "Nous pouvons désormais affirmer avec certitude qu'un seul électron est excité directement et nous avons identifié le mécanisme du processus d'excitation-doublement", ajoute Alexander Neef.
Il est essentiel de connaître le mécanisme de fission des excitons pour pouvoir les utiliser dans des applications photovoltaïques. Une cellule solaire en silicium améliorée par un matériau qui double l'excitation pourrait augmenter d'un tiers l'efficacité de la transformation de l'énergie solaire en électricité. Une telle avancée pourrait avoir d'énormes répercussions, car l'énergie solaire sera la principale source d'énergie de l'avenir. Aujourd'hui déjà, d'importants investissements sont consacrés à la construction de ces cellules solaires de troisième génération.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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