Comment un photon devient quatre porteurs de charge

Certains matériaux convertissent les photons en plus de charges gratuites que prévu. À l’aide d’un film ultra-rapide, les chercheurs ont maintenant pu obtenir une image de ce processus.

Des chercheurs de l’Institut Fritz Haber de la Max Planck Society, de l’Université technique de Berlin et de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg ont utilisé un film ultra-rapide pour capturer le processus de fission des excitons, ce qui pourrait augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires. En utilisant la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle, ils ont observé la dynamique des électrons sur une échelle de temps femtoseconde et ont résolu un débat de longue date sur le mécanisme derrière la conversion d’un

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Le photovoltaïque, la conversion de la lumière en électricité, est une technologie clé pour l’énergie durable. Depuis l’époque de Max Planck et d’Albert Einstein, nous savons que la lumière ainsi que l’électricité se présentent sous la forme de minuscules paquets quantifiés appelés photons et charges élémentaires, ces dernières étant représentées par des électrons et des trous.

De meilleures cellules solaires grâce à la séparation des excitons

Dans une cellule solaire habituelle, l’énergie d’un seul photon est transférée à deux frais gratuits dans le matériel, mais pas plus que cela. Cependant, quelques matériaux moléculaires comme le pentacène sont une exception et montrent la conversion d’un photon en quatre frais, à la place. Ce doublement d’excitation, appelé fission d’excitons, pourrait être extrêmement utile pour le photovoltaïque à haut rendement, en particulier pour mettre à niveau les technologies dominantes à base de silicium.

Une équipe de chercheurs de l’Institut Fritz Haber de la Max Planck Society, de l’Université technique de Berlin et de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg a maintenant déchiffré la première étape de ce processus en enregistrant un film ultrarapide du photon à l’électricité processus de conversion, résolvant un débat vieux de plusieurs décennies sur le mécanisme du processus.

“Lorsque le pentacène est excité par la lumière, les charges du matériau réagissent rapidement”, explique le professeur Ralph Ernstorfer, auteur principal de l’étude. “C’était une question ouverte et très controversée de savoir si un photon absorbé excite directement deux électrons et trous ou initialement une seule paire électron-trou, qui partage ensuite son énergie avec une autre paire de charges.” Ernstorfer est à la tête d’un groupe de recherche Max Planck à l’Institut Fritz Haber et professeur de physique expérimentale à l’Université technique de Berlin.

Instantanés d’un milliardième de millionième de seconde

Pour percer ce mystère, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle, une technique de pointe pour observer la dynamique des électrons à l’échelle de temps femtoseconde, soit un milliardième de millionième de seconde. Cette caméra à électrons ultra-rapide leur a permis de capturer pour la première fois des images des électrons excités fugaces.

“Voir ces paires de porteurs de charge était crucial pour déchiffrer le processus”, explique Alexander Neef, de l’Institut Fritz Haber et premier auteur de l’étude. « Une paire électron-trou excitée possède non seulement une énergie spécifique, mais adapte également des motifs distincts, appelés orbitales. Pour comprendre le processus de fission singulet, il est essentiel d’identifier les formes orbitales des porteurs de charge et leur évolution dans le temps.

Crucial pour l’utilisation des semi-conducteurs organiques

Avec les images du film d’électrons ultrarapides à portée de main, les chercheurs ont décomposé pour la première fois la dynamique des porteurs de charge excités en fonction de leurs caractéristiques orbitales. “Nous pouvons maintenant dire avec certitude qu’une seule paire électron-trou est excitée immédiatement après l’excitation du photon et avons identifié le mécanisme du processus de dédoublement des porteurs de charge libres”, ajoute Alexander Neef.

“Résoudre cette première étape de la fission d’excitons est essentiel pour mettre en œuvre avec succès cette classe de semi-conducteurs organiques dans des applications photovoltaïques innovantes et, ainsi, pour augmenter encore l’efficacité de conversion des cellules solaires d’aujourd’hui”, déclare le professeur Jens Pflaum, dont le groupe à l’Université de Würzburg a fourni les cristaux moléculaires de haute qualité pour cette étude. Une telle avancée aura des impacts énormes car l’énergie solaire et sa production par ces cellules de troisième génération seront une source d’énergie dominante du futur.

Référence : « Orbital-resolved observation of singlet fission » par Alexander Neef, Samuel Beaulieu, Sebastian Hammer, Shuo Dong, Julian Maklar, Tommaso Pincelli, R. Patrick Xian, Martin Wolf, Laurenz Rettig, Jens Pflaum et Ralph Ernstorfer, 12 avril 2023 , Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05814-1