Des physiciens de l’université de Rutgers ont découvert de nouvelles propriétés d’un matériau, qui pourraient bien bouleverser le marché des matériaux producteurs d’électricité « verte ».
La découverte révèle que les particules d’énergie générées par la transformation des paquets de lumière peuvent voyager de l’ordre de mille fois plus loin au travers des matières organiques (à base de carbone par exemple) que ce que les scientifiques avaient pu observer jusque là.

Cette découverte renforce les espoirs des scientifiques de voir un jour des cellules à base de carbone dépasser celles en silicone, tant au niveau du coût qu’au niveau des performances. Ceci faciliterait grandement la transition d’une dépendance aux énergies fossiles à l’utilisation de l’énergie solaire.

Transistor organique monocristallin fabriqué à partir de rubrène (cristal rouge)

Comme le rapporte Photonics.com (via Pierre), il s’agit d’un dispositif optoélectronique similaire à ceux utilisés par les physiciens de l’université de Rutgers pour mesurer la diffusion des excitons.

Vitaly Podzorov, un professeur-assistant de physique à l’Université de Rutgers, déclarait que :

« Les semi-conducteurs organiques sont prometteurs à la fois pour les cellules solaires mais aussi pour d’autres utilisations, tels que les écrans vidéo, parce qu’ils peuvent être fabriqués dans de grandes feuilles de plastique ». « Mais leur efficacité limitée de conversion photovoltaïque a beaucoup freiné leurs utilisations. Grâce à notre découverte, nous espérons stimuler d’avantage leurs développements et les progrès dans leurs utilisations. »

Podzorov et ses collègues ont fait observer que les excitons – particules qui se forment lorsque les matériaux semi-conducteurs absorbent les photons (les photons étant eux-même des particules de lumière) – sont transportés dans des semi-conducteurs organiques appelés rubrène, près de mille fois plus loin que dans un cristal très pur. Jusqu’à présent, les excitons généralement observés étaient transportés sur moins de 20 nanomètres – milliardièmes de mètres – dans des semi-conducteurs organiques.

« C’est la première fois que nous avons observé la migration des excitons de quelques microns, dit Podzorov, notant qu’ils ont mesuré la longueur de diffusion de deux à huit microns, ou millionièmes de mètre. Ceci est similaire à la diffusion d’un exciton dans les matériaux inorganiques de cellules solaires tels que le silicium et l’arséniure de gallium. »
« Une fois que la distance de diffusion des excitons devient comparable à la longueur d’absorption de la lumière, vous pouvez récupérer le plus lumière du soleil possible pour la conversion énergétique. « 

Les excitons sont des entités de particules constituées d’un électron et un électron-trou (une charge positive attribuée à l’absence d’un d’électrons). Elles peuvent générer une photo tension quand ils atteignent la limite des semi-conducteurs ou des jonctions, et les électrons se déplacent d’un côté et les trous se placent de l’autre côté de la jonction. Si les excitons ne diffusent que sur quelques dizaines de nanomètres, seuls les plus proches de la jonction ou en limites génèrent des photo-tensions. Ceci explique le faible rendement des conversions électriques organiques, que sont aujourd’hui les cellules solaires.

« A l’heure actuelle, nous perdons 99 pour cent de la lumière du soleil », a déclaré Podzorov.

Bien que les cristaux de rubrène (très purs) fabriqués par la Rutgers ne conviennent pour le moment qu’à la recherche en laboratoire, cette découverte montre que le goulot d’étranglement de diffusion des excitons n’est pas une limitation intrinsèque des semi-conducteurs organiques. La poursuite du développement pourrait se traduire par des matériaux plus performants et plus faciles (donc moins chers) à fabriquer.

Les scientifiques ont découvert que les excitons des cristaux de rubrène se comportaient plus comme les excitons observées dans les cristaux inorganiques – une forme délocalisée connue sous le nom de Wannier-Mott, ou WM. Les scientifiques croyaient que seule la forme plus localisée des excitons, appelés excitons de Frenkel, étaient présents dans les semi-conducteurs organiques. Les excitons de WM se déplacent plus rapidement dans les réseaux cristallins, dû aux meilleures propriétés optoélectroniques.

Podzorov a noté que la recherche a également produit une nouvelle méthodologie de mesure des excitons, fondée sur la spectroscopie optique. Dès lors que les excitons ne sont pas chargés, ils sont difficiles à mesurer par des méthodes conventionnelles. Les chercheurs ont donc développé une technique appelée la spectroscopie de photo-courant résolue par la polarisation. Elle dissocie les excitons à la surface du cristal et révélant le photocourant. La technique devrait être applicable à d’autres matériaux, d’après les déclarations de Podzorov.

Podzorov a reçu de l’aide pour mener à bien ses recherches. Parmis ses collaborateurs on retrouve des chercheurs postdoctoraux comme Hikmat Najafov, des étudiants diplômés comme Bumsu Lee et Qibin Zhou, et enfin Leonard Feldman, directeur du département Advanced Materials, Devices and Nanotechnology (IAMDN) de l’Université de Rutgers. Najafov et Podzorov y sont d’ailleurs affiliés.

Le financement a été assuré par le département de l’organisation pour le développement de la recherche sur les matériaux et les énergies nouvelles du Japon et de la technologie industrielle (NEDO) de la Fondation Nationale des Sciences (National Science Foundation).

Pour plus d’informations, visitez: www.rutgers.edu
Image: Rutgers University