Coupler les excitons aux polaritons pour de meilleures cellules solaires et des LED à plus haute intensité

Dans les cellules solaires et les diodes électroluminescentes, le maintien de la cinétique de l’état excité des molécules contre l’annihilation est une course contre la montre. Ces systèmes doivent trouver un équilibre délicat entre les différents processus qui conduisent à une perte d’énergie et ceux qui conduisent au résultat souhaité.

Un mécanisme de perte majeur, notamment dans les systèmes les plus efficaces, est appelé annihilation exciton-exciton, qui conduit à une diminution de l’efficacité solaire et du rendement lumineux des LED. Le contrôle de la quantité d’annihilation exciton-exciton est donc un levier important qui affecte l’efficacité.

Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) travaillant avec des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder ont cherché à contrôler l’annihilation exciton/exciton en couplant les excitons avec des polaritons de cavité, qui sont essentiellement des photons capturés entre deux miroirs, pour lutter contre la dissipation d’énergie et pour potentiellement augmenter l’efficacité des dispositifs optoélectroniques.

Comme détaillé dans un article du Journal des lettres de chimie physiqueIls ont utilisé la spectroscopie d’absorption transitoire pour démontrer le contrôle du mécanisme de perte en faisant varier la séparation entre les deux miroirs formant la cavité entourant la couche de perovskite 2D (PEA)2PbI4 (PEPI). Ce matériau perovskite est un candidat pour les futures applications LED.

« Si nous pouvons contrôler l’annihilation exciton/exciton dans les matériaux actifs utilisés dans une LED ou une cellule solaire, nous pourrions réduire les pertes d’énergie et donc augmenter leur efficacité de manière significative », a déclaré Jao van de Lagemaat du NREL, directeur du centre de chimie et de nanosciences qui a dirigé l’étude.

Lorsque l’échange d’énergie entre les systèmes de lumière et de matière dépasse leurs taux de désintégration, un couplage fort entre les états photoniques et électroniques (c’est-à-dire les excitons) se produit, formant des polaritons, des états hybrides de lumière et de matière.

Les chercheurs du NREL ont démontré un couplage ultra-fort de la couche PEPI dans une microcavité Fabry-Pérot constituée de deux miroirs partiellement réfléchissants. Une couche PEPI plus fortement couplée à la cavité a produit une durée de vie plus longue de l’état excité et a donné aux chercheurs le contrôle de l’annihilation exciton-exciton, réduisant ainsi le processus de perte d’un ordre de grandeur.

Les chercheurs du NREL ont expliqué leur observation par la nature quantique des états hybrides nouvellement formés. Les polaritons passent très rapidement d’une nature plus photonique à une nature plus excitonique. Comme les photons ne s’annihilent pas lorsqu’ils se rencontrent, contrairement aux excitons, ce « phasage » fantomatique entre les deux caractéristiques des particules permet aux polaritons de se traverser s’ils se trouvent être plus photoniques au moment précis où ils interagissent.

Le réglage de la force de couplage ajuste les quantités relatives de temps que les polaritons passent en tant que photon et offre donc un contrôle sur la perte d’énergie dans ces systèmes.

« Il était frappant de constater à quel point une expérience aussi simple consistant à placer un matériau entre deux miroirs pouvait changer complètement sa dynamique », a déclaré Rao Fei, un étudiant diplômé de l’Université du Colorado à Boulder qui a fabriqué les cavités et effectué des mesures de spectroscopie ultrarapide.

« Nous avons montré que des effets de couplage forts peuvent être utilisés pour contrôler la dynamique de l’état excité du système PEPI », a déclaré van de Lagemaat. « La simplicité du système suggère que ce résultat devrait se traduire dans d’autres matériaux actifs dans les LED et les cellules solaires et pourrait potentiellement être intégré dans ces applications à l’aide de méthodes de fabrication simples. »