Des scientifiques de l’Université de Cambridge ont mis en évidence un effet quantique dans un matériau organique qui pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de cellules solaires.
L’étude, publiée dans Nature Materials le 30 septembre 2025, montre qu’un composé radicalaire organique est capable de générer et de séparer des charges électriques de manière intrinsèque, sans avoir besoin de plusieurs couches ou de matériaux différents.
C’est une avancée qui rapproche la possibilité de créer des cellules solaires monocomposant, plus simples, plus légères et potentiellement plus efficaces.
Le matériau analysé, un radical organique appelé P₃TTM (dérivé du tris(2,4,6-trichlorophényl)méthyle), se comporte de façon tout à fait différente des semi-conducteurs classiques.
Lorsqu’il est exposé à la lumière, au lieu de générer une seule paire électron-trou confinée (comme c’est le cas dans les matériaux traditionnels), ses molécules interagissent entre elles pour créer des paires d’ions anion/cation radicaux.
Ce phénomène, appelé séparation de charge photo-induite intermoléculaire, permet aux charges de se séparer spontanément, favorisant une efficacité de collecte proche de 100 % dans les dispositifs expérimentaux réalisés à Cambridge.
Dans les cellules solaires classiques, la séparation des charges nécessite une interface entre deux matériaux distincts : un donneur et un accepteur d’électrons.
Dans le cas du P₃TTM, cette séparation se produit à l’intérieur même du matériau, grâce à la configuration électronique particulière du radical.
Le résultat est une « homojonction » naturelle, où les charges se distribuent spontanément entre molécules voisines, réduisant les pertes d’énergie et simplifiant la structure du dispositif.
Les chercheurs ont employé différentes techniques spectroscopiques, notamment la photoluminescence et l’absorption transitoire, pour observer la dynamique des charges.
Ils ont détecté une émission retardée de plus d’une microseconde et une bande rouge (environ 800 nm) associée à la recombinaison des paires anion-cation – des signes typiques d’une séparation de charge efficace.
Les calculs théoriques (TD-DFT) ont également confirmé que, dans les radicaux comme le P₃TTM, l’énergie nécessaire pour la double occupation du niveau électronique est inférieure à celle de l’exciton : une condition favorable au processus observé.
Cette découverte ouvre des perspectives prometteuses pour le développement de nouveaux matériaux photovoltaïques organiques.
Puisque le processus de séparation des charges se produit de manière spontanée et sans interfaces complexes, il pourrait mener à la conception de cellules solaires plus économiques, flexibles et faciles à produire, idéales pour les surfaces courbes, les dispositifs portables ou les applications architecturales intégrées.
De plus, les matériaux organiques comme le P₃TTM sont potentiellement plus durables que le silicium, s’inscrivant ainsi dans les objectifs de la transition écologique européenne et suisse.
L’équipe dirigée par Dr Biwen Li et Prof. Richard Friend, pionniers dans le domaine des semi-conducteurs organiques, souligne que l’objectif à long terme est de combiner cette découverte avec des techniques d’ingénierie des matériaux afin de créer des dispositifs photovoltaïques monocomposant capables de produire de l’énergie ou de catalyser des réactions chimiques directement à partir de la lumière solaire.
À une époque où l’innovation technologique est cruciale pour accélérer la transition énergétique, des résultats comme celui-ci démontrent comment la recherche fondamentale peut engendrer des idées susceptibles, à terme, de transformer tout le paradigme de l’énergie propre.
Source scientifique
Li, B., Murto, P., Chowdhury, R. et al.
Intrinsic intermolecular photoinduced charge separation in organic radical semiconductors.
Nature Materials (2025). DOI : 10.1038/s41563-025-02362-z
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