Le développement des panneaux solaires ne serait plus empêché par le mystère de leur fonctionnement
Publié par Isabelle le 03/07/2014 à 12:00
Source: Université de Montréal - William Raillant-Clark

(Crédit: Université de Montréal)
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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :). " 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 (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le règne...). 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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des...). Les conclusions ont été publiées aujourd'hui 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de petites structures moléculaires du même type. On les dit "organiques" parce qu'ils sont composés d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) qui entrent également dans la composition des molécules nécessaires à la vie (La vie est le nom donné :) (carbone, azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique...), soufre). Un fullerène est une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) en forme de ballon de football, composée d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). " Dans ces dispositifs et d'autres semblables, l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon...) de la lumière entraîne la formation d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de...) et d'une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce...) chargée positivement. Afin de produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...), ces deux espèces doivent se séparer et l'électron doit migrer loin de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) 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 ", explique Sophia Hayes de l'Université de Chypre (Chypre (grec Κύπρος ; turc Kıbrıs) est une île située dans le Bassin Levantin qui constitue la partie la...), 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 stimulée femtoseconde, précise Tony Parker du Central Laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le...) Facility du Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) and Technology Facilities Council. La spectroscopie Raman stimulée 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 (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en...) 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 ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...) ce que la seconde est à 3,7 millions d'années. La promptitude et la vitesse (On distingue :) augmentent et aident à maintenir la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) 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 stimulée 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.

À propos de l'étude

L'article " Direct observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) of ultrafast long-range charge separation at polymer-fullerene heterojunctions " a été publié dans Nature Communications le 1er juillet 2014. Françoise Provencher est une étudiante de Carlos Silva au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de l'Université de Montréal. Ils sont tous deux affiliés au Regroupement québécois sur les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de pointe. M. Silva est également un professeur invité au Imperial College London. Sophia Hayes est affiliée au Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de l'Université de Chypre. Anthony W. Parker, Gregory M. Greetham et Michael Towrie, scientifiques du Science and Technology Facilities Council (R.-U.), ont préparé les expériences et le système laser. Nicolas Bérubé, Christoph Hellmann, Michel Coté et Natalie Stingelin ont également contribué à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...). Les chercheurs ont bénéficié du financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, de la Chaire de recherche du Canada en matériaux semi-conducteurs organiques, de la Royal Society, du Leverhulme Trust, de LASERLAB-EUROPE (accord de subvention (Une subvention est une aide financière, c’est-à-dire une somme d’argent, qui est allouée par une institution publique ou privée à...) no 284464, septième programme-cadre de la Commission européenne), du Engineering and Physical Sciences Research Council du Royaume-Uni (subvention EP/G060738/1), du European Research Council (ERC) Starting Independent Research Fellowship (accord de subvention no 279587) et de l'Université des sciences et technologies du Roi Abdullah. Le Science and Technology Facilities Council a permis un accès accru aux installations de spectroscopie Raman stimulée femtoseconde par rapport à l'offre habituelle de l'UE.

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Trois faisceaux laser sont requis pour enregistrer les modes excités de vibrations du PCDTBT à l'aide d'une méthode appelée spectroscopie Raman stimulé femtoseconde. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord, l'impulsion verte est absorbée par le polymère, tout comme le serait la lumière du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...) dans une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant continu...), ce qui crée l'état excité. Ensuite, une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'impulsions infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte...) et de lumière blanche interrogent les modes de vibration de cet état excité. De très courtes impulsions de lumière ainsi qu'une synchronisation précise permettent une impressionnante résolution temporelle de moins de 300 femtosecondes.
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