Une avancée scientifique majeure, fruit d’une collaboration entre l’Université de Cambridge, redonne vie à des théories vieux d’un siècle en découvrant un phénomène inédit dans des molécules organiques. Cette percée, publiée dans la revue Nature Materials, ouvre la voie à une nouvelle génération de dispositifs solaires et électroniques plus efficaces et abordables.
- Des chercheurs ont observé pour la première fois dans des molécules organiques semi-conductrices le phénomène des « isolants de Mott-Hubbard », jusqu’alors limité aux oxydes métalliques inorganiques.
- Cette découverte permet de capter et de convertir la lumière en électricité avec une efficacité de collecte de charge proche de la perfection, en utilisant un seul matériau.
- Elle rend hommage aux travaux pionniers de Sir Nevill Mott, 120 ans après sa naissance, et ouvre un nouveau chapitre dans la science des matériaux organiques.
L’étude se penche sur un semi-conducteur organique particulier, le P3TTM. Ce matériau possède la particularité de contenir, au cœur de chaque molécule, un électron célibataire. Ce détail confère à la molécule des propriétés magnétiques et électroniques uniques. Le P3TTM, initialement développé pour ses capacités de luminescence dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED), révèle ici un comportement inattendu lorsque ses molécules sont agencées en étroite proximité. Elles interagissent alors à la manière des isolants de Mott-Hubbard, un concept théorique exploré pour la première fois il y a près de cent ans dans des contextes inorganiques.
« C’est là que réside la véritable magie », explique Biwen Li, chercheur principal au laboratoire Cavendish. « Dans la majorité des matériaux organiques, les électrons sont appariés et n’interagissent pas avec leurs voisins. Mais dans notre système, lorsque les molécules s’agglutinent, l’interaction entre les électrons non appariés de sites adjacents les incite à s’aligner alternativement de haut en bas, une caractéristique du comportement de Mott-Hubbard. Lorsqu’ils absorbent la lumière, l’un de ces électrons saute sur son voisin le plus proche, créant des charges positives et négatives qui peuvent être extraites pour générer un photocourant, c’est-à-dire de l’électricité. »
Pour valider cette hypothèse, l’équipe a conçu une cellule solaire à base d’un film mince de P3TTM. Les résultats sont spectaculaires : l’appareil atteint une efficacité de collecte de charge quasi parfaite sous l’effet de la lumière, transformant presque chaque photon en courant électrique utilisable. Les cellules solaires organiques traditionnelles nécessitent généralement deux matériaux distincts – l’un pour donner des électrons, l’autre pour les accepter – une interface qui limite leur efficacité. Avec ces nouvelles molécules, l’ensemble du processus de conversion s’opère au sein d’une unique substance. L’absorption d’un photon déclenche un déplacement naturel d’un électron vers une molécule voisine identique, entraînant une séparation des charges. Cette séparation est rendue possible par la faible énergie nécessaire, appelée « Hubbard U », qui correspond au coût électrostatique du placement de deux électrons sur une même molécule déjà chargée négativement.
Le Dr Petri Murto, du département de chimie de Yusuf Hamied, a joué un rôle clé dans le développement de structures moléculaires permettant de moduler précisément le contact entre molécules et l’équilibre énergétique régulé par la physique de Mott-Hubbard. Ces avancées ouvrent la perspective de fabriquer des cellules solaires à partir d’un seul matériau, potentiellement léger et économique.
Cette découverte a une résonance historique particulière. Le professeur Sir Richard Friend, auteur principal de l’étude, a eu l’opportunité d’échanger avec Sir Nevill Mott au début de sa carrière. Voir ces principes fondamentaux se manifester dans une nouvelle classe de matériaux organiques, coïncidant avec le 120e anniversaire de la naissance de Mott, est une source de profonde satisfaction. Cela rend un hommage mérité au physicien légendaire dont les travaux sur les interactions électroniques ont jeté les bases de la physique moderne de la matière condensée.
« C’est comme si la boucle était bouclée », confie le professeur Friend. « Les idées de Mott ont été fondamentales pour ma propre carrière et pour notre compréhension des semi-conducteurs. Voir maintenant ces règles quantiques profondes se manifester dans une toute nouvelle classe de matériaux organiques et les exploiter pour capter la lumière est vraiment spécial. »
Professeur Sir Richard Friend
« Nous ne nous contentons pas d’améliorer d’anciens modèles », souligne le professeur Bronstein. « Nous écrivons un nouveau chapitre du manuel, démontrant que les matériaux organiques sont capables de générer des charges par eux-mêmes. »
Professeur Hugo Bronstein