Des chercheurs sont parvenus à atteindre un rendement quantique de 130 % dans la conversion de l’énergie solaire en capturant des excitons amplifiés par fission de singulet, en utilisant un émetteur à base de molybdène. Une avancée qui pourrait contribuer à dépasser certaines limites actuelles des cellules solaires, en réduisant significativement l’énergie perdue sous forme de chaleur et, par extension, en améliorant leur efficacité énergétique.
Les cellules solaires composant les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité lorsque les photons frappent un semi-conducteur et transmettent leur énergie aux électrons, les activant ainsi et générant un courant électrique. Les photons présents dans la lumière solaire présentent cependant des niveaux d’énergie variables : les photons infrarouges de faible énergie ne peuvent pas exciter les électrons, tandis que ceux de plus haute énergie, comme ceux de la lumière bleue, dissipent leur excédent énergétique sous forme de chaleur.
En conséquence, bien que l’énergie solaire constitue l’une des formes d’énergie les plus abondantes de la planète, les cellules solaires ne peuvent atteindre leur rendement maximal, ne pouvant notamment exploiter que près d’un tiers de l’énergie du rayonnement solaire. Cette restriction, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser, a longtemps entravé les avancées dans le domaine.
Des chercheurs de l’Université de Kyushu au Japon, en collaboration avec l’Université Johannes Gutenberg (JGU) de Mayence en Allemagne, affirment avoir franchi une étape importante en combinant deux stratégies principales, dans le cadre d’une récente étude publiée dans Journal of the American Chemical Society.
« Nous disposons de deux stratégies principales pour dépasser cette limite », explique dans un communiqué Yoichi Sasaki, professeur associé à la faculté d’ingénierie de l’Université de Kyushu et coauteur de l’étude. « La première consiste à convertir les photons infrarouges de basse énergie en photons visibles de plus haute énergie. La seconde, que nous explorons ici, consiste à utiliser la fission de singulet pour générer deux excitons à partir d’un seul photon excitonique. »
Repousser les limites du rendement photovoltaïque
Un exciton singulet est une paire composée d’un électron et d’un trou liés, générée lors de l’excitation d’un matériau organique par la lumière. En temps normal, un photon ne peut produire qu’un seul exciton singulet après excitation électronique. La fission de singulet (SF) permet de scinder cet exciton singulet de haute énergie en deux excitons triplets de plus basse énergie, doublant le nombre d’excitons produits et permettant, en théorie, de dépasser la limite de Shockley-Queisser.
Bien que certains semi-conducteurs organiques, tels que le tétracène, présentent ce processus, la capture des excitons issus de la SF demeure un défi. Plus précisément, celui-ci réside dans le laps de temps nécessaire à la fission de singulet pour se produire avant que l’énergie ne soit perdue ou transférée ailleurs.
Le tétracène et le molybdène (Mo) ont été combinés par fission de singulet . © Sifuentes-Samanamud et al., J. Am. Chem. Soc. , 2026
« L’énergie peut être facilement “volée” par un mécanisme appelé transfert d’énergie par résonance de Förster (FRET) avant la multiplication », explique Sasaki. « Nous avions donc besoin d’un accepteur d’énergie capable de capturer sélectivement les excitons triplets multipliés après la fission. »
Les chercheurs ont donc utilisé du tétracène pour induire la fission, puis ont utilisé un complexe métallique à base de molybdène, appelé émetteur à « retournement de spin », pour capter l’énergie supplémentaire issue de la fission. En utilisant ce complexe avec des matériaux à base de tétracène en solution, l’équipe a montré qu’il est possible de récupérer une partie de l’énergie autrement perdue.
L’approche a permis d’atteindre des rendements quantiques d’environ 130 %, ce qui signifie qu’environ 1,3 excitations ont été générées par photon absorbé. Ce résultat dépasse la limite conventionnelle de 100 %, indiquant que le système a généré et récupéré davantage de porteurs d’énergie que de photons reçus.
Il est toutefois important de noter que ces résultats demeurent préliminaires et ne constituent, pour le moment, qu’une validation de concept. La prochaine étape de l’étude consistera à assembler les deux matériaux utilisés à l’état solide afin d’obtenir un transfert énergétique plus efficace et de faciliter leur intégration aux cellules solaires. Mis à part les cellules solaires, les chercheurs évoquent également des applications potentielles dans les technologies LED et quantiques de nouvelle génération.
