Des outils de simulation pour aider à concevoir des cellules solaires
Un chercheur financé par l’UE a développé un modèle permettant d’améliorer les simulations de processus de transfert de charge (CT), qui jouent un rôle clé au niveau des molécules photosensibilisatrices et des réactions photocatalytiques, exploités pour produire de l’énergie solaire. «La nouvelle méthode de calcul des états excités par transfert de charge a été présentée dans plusieurs conférences et a reçu un très bon accueil de la part de la communauté scientifique», a déclaré le Dr Eduard Matito, expert en corrélation électronique à l’Université du Pays basque, dans le nord de l’Espagne. Il a aidé le Dr Eloy Ramos-Cordoba à élaborer cette méthode dans le cadre du projet européen AccuCT (Accurate characterization of charge-transfer excited states), avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie. Le Dr Ramos-Cordoba a également passé les deux premières années de son programme de recherche à l’Université de Californie, à Berkeley, aux États-Unis, en collaboration avec l’équipe du professeur Martin Head-Gordon, qui concentre ses efforts sur le développement de nouvelles méthodes concernant la structure électronique et sur leur implémentation sous forme d’algorithmes informatiques efficaces. «C’est grâce à ces nouvelles compétences que j’ai pu proposer une nouvelle famille de méthodes de traitement des états de CT», a déclaré le Dr Ramos-Cordoba. Une simulation ultraprécise Les processus de transfert de charge ont lieu lorsque des électrons (des particules chargées négativement) sont déplacés d’une partie d’une molécule à une autre. Ce déplacement crée un trou d’électron – une région chargée positivement – et un excès d’électrons dans une autre partie de la molécule. Ce mouvement constitue souvent l’étape qui précède une réaction chimique ou un processus physique. La façon la plus courante de simuler des processus de transfert de charge ainsi que d’autres processus photochimiques moléculaires consiste à utiliser des programmes informatiques qui fonctionnent en suivant la «théorie de la fonctionnelle de la densité». Les approximations de cette théorie manquent toutefois un peu de justesse en ce qui concerne les processus de CT, car les électrons qui entrent en jeu interagissent plutôt à grandes qu’à petites distances. «Les approximations de la fonctionnelles de la densité (DFA) de courant s’avèrent souvent incapables de fournir une réponse précise et fiable, et donnent des énergies d’excitation largement surestimées», a expliqué le Dr Ramos-Cordoba. Cette méthode peine également à décrire simultanément les petites et les grandes molécules, car elle n’attribue pas une marge d’erreur proportionnelle à la taille de la molécule. La méthode AccuCT est beaucoup plus précise. «Avec AccuCT, nous avons mis au point une nouvelle méthode décrivant correctement les états de CT et pouvant être combinée à une DFA à courte portée afin de produire une fonctionnelle de la densité corrigée pour la longue portée», a indiqué le Dr Ramos-Cordoba. La nouvelle méthode peut simuler n’importe quel type d’excitation électronique. «En corrigeant l’un des défauts des DFA, nous espérons améliorer la fonctionnelle et, par conséquent, proposer de meilleures prévisions pour les propriétés auparavant difficiles à simuler», a déclaré le Dr Matito. De meilleures simulations ouvrent la voie à un développement plus aisé des cellules solaires. Les molécules subissant une séparation par transfert de charge lorsqu’elles sont exposées à de la lumière visible – qualifiées de «photosensibilisatrices» – sont utilisées pour créer des cellules photovoltaïques, qui se servent de l’énergie issue du spectre visible de la lumière pour générer un courant électrique. Les efforts consacrés au projet par le Dr Ramos-Cordoba lui ont permis de décrocher une bourse Juan de la Cierva Incorporación octroyée par le gouvernement espagnol pour poursuivre ses travaux à l’Université du Pays basque. Les chercheurs d’AccuCT ont partagé leurs résultats au cours de dix conférences ainsi que dans trois revues à comité de lecture et trois autres articles sont en cours de rédaction. «Nous collaborons actuellement avec deux groupes de recherche qui souhaitent utiliser nos indices pour développer de nouvelles méthodes de simulation», a indiqué le Dr Matito.
Mots‑clés
AccuCT, processus de transfert de charge, cellules solaires, photosensibilisateurs, énergie solaire
