Dans le processus de fission de l’exciton singulet, un exciton singulet (bleu) est créé lors de l’absorption de la lumière, puis se divise en deux triplets (rouge) sur des échelles de temps ultrarapides. L’équipe a suivi les mouvements moléculaires en temps réel accompagnant ce processus dans des monocristaux de pentacène. Crédit : © Jörg Harms, MPSD
Des chercheurs du Fritz Haber Institute (FHI) de Berlin, du MPSD et de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg ont fourni de nouvelles informations importantes sur un processus clé pour le développement de cellules solaires plus efficaces et d’autres technologies basées sur la lumière, appelée fission singulet d’excitons. . Ils ont réussi à suivre comment les molécules d’un matériau prometteur, des monocristaux composés de molécules de pentacène, se déplacent en temps réel au fur et à mesure que la fission singulet a lieu, montrant qu’un mouvement collectif de molécules peut être à l’origine des échelles de temps rapides liées à ce processus.
La production d’énergie dans les technologies basées sur la lumière repose sur la capacité des matériaux à convertir la lumière en énergie électrique et vice versa. Certains solides moléculaires organiques ont la capacité particulière d’augmenter considérablement l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique, grâce à un processus appelé fission singulet d’exciton (SEF). Dans ce processus, deux paires électron-trou, appelées excitons, sont générées par l’absorption d’un quantum de lumière (un photon). En raison des implications technologiques prononcées, d’énormes efforts de recherche ont été consacrés à la compréhension du fonctionnement réel du SEF.
L’efficacité et la vitesse du processus SEF sont dictées par des détails subtils liés à la façon dont les molécules s’organisent dans le matériau. Malgré des centaines d’études sur le sujet, cependant, il n’y avait aucun moyen d’observer en temps réel comment exactement les molécules se déplacent afin de faciliter l’événement SEF. Comprendre cette partie du puzzle est essentiel pour optimiser les matériaux SEF et augmenter encore leur efficacité.
Dans une étude publiée dans Avancées des sciences récemment, des chercheurs du FHI, du MPSD et de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg ont réussi à suivre comment les molécules d’un matériau cristallin construit à partir de molécules de pentacène se déplacent pendant le processus SEF, en utilisant une technique expérimentale appelée « diffraction d’électrons femtoseconde ». Une telle technique peut capturer des instantanés de la structure atomique en temps réel au fur et à mesure que le processus SEF se déroule. Afin de pouvoir capturer ces clichés dans le pentacène, un matériau qui ne contient que des atomes petits et légers, les mesures devaient atteindre une stabilité et une résolution exceptionnelles.
« Nous avons amené de telles expériences à un point où elles peuvent traiter ces matériaux, ce qui est très excitant pour la chimie, la biologie et la science des matériaux. Ces mesures ont révélé que des mouvements moléculaires véritablement collectifs accompagnent le processus SEF dans le pentacène. Plus précisément, une oscillation délocalisée ultrarapide de molécules de pentacène a été identifiée, ce qui facilite un transfert efficace d’énergie et de charge sur de grandes distances », explique Heinrich Schwoerer du MPSD.
Grâce à une théorie de pointe, l’équipe a pu révéler les mouvements moléculaires impliqués dans l’événement d’excitation initial et comment ces mouvements déclenchent des mouvements moléculaires plus complexes impliquant de nombreuses molécules du cristal. « Notre analyse théorique pourrait résoudre des mouvements moléculaires très complexes. Nous avons pu identifier un dominant qui implique des molécules glissant les unes par rapport aux autres, et qui ne peut être déclenché que par le couplage d’excitations électroniques à d’autres mouvements moléculaires plus localisés, qui, à leur tour, se couplent à ce mouvement clé également observé en expérience. », déclare Mariana Rossi de MPSD.
Ces mouvements atomiques collectifs observés par l’équipe impliquée dans le projet pourraient bien être la clé pour expliquer comment les deux excitons générés par le processus SEF peuvent se séparer, ce qui est une condition préalable à la récolte de leurs charges dans un dispositif à énergie solaire. “En termes simples, notre image est que ces mouvements moléculaires neutralisent efficacement les forces qui maintiennent les deux excitons ensemble juste après leur génération, fournissant une explication possible sur l’origine des échelles de temps ultrarapides liées à la fission, et facilitent ainsi la haute efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique », explique Hélène Seiler, post-doctorante à la FHI dans le groupe de Ralph Ernstorfer.
Selon Sebastian Hammer de la chaire Experimental Physics VI à l’Université de Würzburg, les travaux de l’équipe auront un impact plus large : « Au-delà de fournir des informations importantes sur le processus SEF, ce travail montre qu’il est possible de révéler le mouvement atomique dans des , des matériaux organiques fonctionnels, délicats et composés d’atomes légers.
Référence : « Nuclear dynamics of singlet exciton fission in pentacene single crystals » par Hélène Seiler, Marcin Krynski, Daniela Zahn, Sebastian Hammer, Yoav William Windsor, Thomas Vasileiadis, Jens Pflaum, Ralph Ernstorfer, Mariana Rossi et Heinrich Schwoerer, 25 juin 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abg0869
