Des scientifiques découvrent le secret des panneaux solaires organiques
Des chercheurs de l’Université de Montréal, du Science and Technology Facilities Council, de l’Imperial College London et de l’Université de Chypre ont déterminé comment les rayons de lumière excitent les structures chimiques des panneaux solaires organiques, leur permettant de produire des charges.
En effet, jusqu’à maintenant, les scientifiques ne savaient pas exactement ce qui se passait dans les panneaux solaires en plastique, rendant compliqué l’amélioration de leur rentabilité, ce qui empêche ainsi l’utilisation répandue de la technologie.
« Nos conclusions sont d’une grande importance pour la compréhension des mécanismes fondamentaux, à l’échelle moléculaire, de tous les systèmes de conversion de l’énergie solaire. Nous avons fait de grands progrès vers l’aboutissement d’une quête poursuivie activement depuis des dizaines d’années», explique l’auteure principale de l’étude, Françoise Provencher, de l’Université de Montréal. Les conclusions ont été publiées dans Nature Communications**.
Les chercheurs ont examiné les principes fondamentaux à l’origine des réactions qui définissent le fonctionnement des dispositifs de conversion de l’énergie solaire, en étudiant le nouveau type de diodes photovoltaïques basées sur un assemblage de semi-conducteurs polymériques et de dérivés de fullerène.
Les polymères sont de grandes molécules composées d’un grand nombre de petites structures moléculaires du même type. On les dit “organiques” parce qu’ils sont composés d’atomes qui entrent également dans la composition des molécules nécessaires à la vie (carbone, azote, soufre). Un fullerène est une molécule en forme de ballon de football, composée d’atomes de carbone. «Dans ces dispositifs et d’autres semblables, l’absorption de la lumière entraîne la formation d’un électron et d’une espèce chargée positivement. Afin de produire de l’électricité, ces deux espèces doivent se séparer et l’électron doit migrer loin de la charge positive. Si l’électron ne peut s’éloigner assez rapidement, les deux charges positive et négative se recombinent simplement et le processus ne produit pas d’électricité. L’efficacité générale des dispositifs solaires dépend du nombre de paires de charges qui se recombinent par rapport à celles qui se séparent », ajoute Sophia Hayes de l’Université de Chypre, dernière auteure de l’étude.
Le travail de l’équipe a permis de tirer deux importantes conclusions.
«Nous avons eu recours à la spectroscopie Raman stimule´e femtoseconde, précise Tony Parker du Central Laser Facility du Science and Technology Facilities Council. La spectroscopie Raman stimule´e femtoseconde est une technique laser ultrarapide de pointe qui fournit des détails sur les changements structuraux des liens chimiques pendant les réactions chimiques extrêmement rapides. Le laser donne de l’information sur la vibration des molécules alors qu’elles interagissent avec les impulsions de la lumière laser.»
Des calculs d’une grande complexité sur ces vibrations ont permis aux scientifiques de confirmer l’évolution des molécules. D’abord, ils ont découvert qu’une fois l’électron libéré du centre positif, le réarrangement moléculaire rapide doit réassembler les produits finaux en environ 300 femtosecondes (0,0000000000003 s).
Une femtoseconde correspond à un quadrillième de seconde : une femtoseconde est à une seconde ce que la seconde est à 3,7 millions d’années. La promptitude et la vitesse augmentent et aident à maintenir la séparation de charge.
Ensuite, les chercheurs ont noté que tous les processus de relaxation et de réorganisation moléculaire à la suite de la séparation de charge initiale, comme constaté au moyen de la spectroscopie Raman stimule´e femtoseconde, doivent être extrêmement petits.
«Nos conclusions ouvrent la voie pour d’autres recherches qui permettront de comprendre les différences entre les systèmes qui produisent des cellules solaires efficaces et les systèmes qui devraient présenter la même efficacité, mais qui n’ont pas un aussi bon rendement. Il ne fait aucun doute qu’une meilleure compréhension de ce qui fonctionne bien et moins bien permettra la conception de panneaux solaires améliorés», affirme Carlos Silva, de l’Université de Montréal, auteur en chef de l’étude.
** L’article « Direct observation of ultrafast long-range charge separation at polymer–fullerene heterojunctions » a été publié dans Nature Communications le 1er juillet 2014
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