Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont observé des électrons franchissant des interfaces dans des matériaux solaires en seulement 18 femtosecondes, propulsés par des vibrations moléculaires. Cette découverte remet en question les théories traditionnelles sur le transfert de charge dans les systèmes d’énergie solaire. Les résultats suggèrent de nouvelles façons de concevoir des technologies de récolte de lumière plus efficaces.
Des scientifiques de l’Université de Cambridge ont mené des expériences révélant que les électrons peuvent se transférer à travers des matériaux solaires à des vitesses proches de la limite des processus naturels. Dans des tests durant 18 femtosecondes — soit 10^{-15} seconde —, les chercheurs ont observé la séparation de charge électrique lors d’une unique vibration moléculaire. Ce mouvement ultrafaste s’est produit dans un système conçu pour performer médiocrement selon les règles conventionnelles, comportant un donneur polymère adjacent à un accepteur non-fullerène présentant une différence d’énergie minimale et une interaction faible. Dr Pratyush Ghosh, chargé de recherches au St John’s College de Cambridge et premier auteur de l’étude, a déclaré : « Nous avons délibérément conçu un système qui, selon la théorie conventionnelle, n’aurait pas dû transférer la charge aussi vite. » Il a ajouté que l’électron est lancé en une unique rafale cohérente, les vibrations agissant comme une catapulte moléculaire : « Les vibrations ne se contentent pas d’accompagner le processus, elles le propulsent activement. » L’observation aligne la migration des électrons sur les mouvements atomiques, comme l’expliquait Ghosh : « Nous observons effectivement les électrons migrer au même rythme que les atomes eux-mêmes. » Des expériences avec lasers ultrarapides ont montré que l’absorption de lumière déclenche des vibrations de haute fréquence dans le polymère, mélangeant les états électroniques et propulsant l’électron de manière balistique à travers l’interface. Une fois parvenu à l’accepteur, il initie une nouvelle vibration cohérente, indiquant la vitesse et la propreté du transfert. Publiée dans Nature Communications le 5 mars 2026, cette recherche remet en question l’idée que le transfert de charge ultrafaste nécessite de grandes écarts d’énergie et un fort couplage, qui réduisent souvent l’efficacité. Ghosh a déclaré : « Nos résultats montrent que la vitesse ultime de la séparation de charge n’est pas déterminée uniquement par la structure électronique statique. Elle dépend de la façon dont les molécules vibrent. Cela nous donne un nouveau principe de conception. » Le professeur Akshay Rao, du Laboratoire Cavendish, a commenté : « Au lieu d’essayer de supprimer le mouvement moléculaire, nous pouvons désormais concevoir des matériaux qui l’exploitent, transformant les vibrations d’une limitation en un outil. » L’étude a impliqué des collaborateurs du Laboratoire Cavendish et du Yusuf Hamied Department of Chemistry de l’Université de Cambridge, ainsi que des équipes en Italie, en Suède, aux États-Unis, en Pologne et en Belgique. Ce mécanisme est essentiel pour les cellules solaires organiques, les photodétecteurs et les dispositifs photocatalytiques produisant de l’hydrogène propre, en mimétisme des processus de la photosynthèse naturelle.
