Les panneaux photovoltaïques pourraient bientôt produire beaucoup plus d’électricité grâce à un nouveau système qui améliore considérablement le rendement de conversion énergétique des cellules solaires.
L’énergie ne peut être ni créée ni détruite. C’est un principe fondamental de la physique. On ne peut tout simplement pas créer de l’énergie à partir de rien. Pourtant, des chercheurs de l’université de Kyushu, au Japon, affirment avoir mis au point une technologie qui porte le rendement de conversion énergétique des cellules solaires à 130 % !
À première vue, les résultats de cette recherche, menée en collaboration avec l’université Johannes Gutenberg en Allemagne, semblent pour le moins fantaisistes. Pourtant, la réalité est bien plus nuancée. En utilisant un complexe métallique à base de molybdène à « retournement de spin » associé à un matériau à fission singulet, les scientifiques sont parvenus à générer davantage de porteurs d’énergie utilisables que de photons incidents.
Analysons la situation.
À tout moment de la journée, la Terre reçoit environ 89 000 térawatts d’énergie solaire, soit près de 5 000 fois la consommation énergétique mondiale annuelle. Pourtant, les technologies solaires modernes n’en captent qu’une infime partie.
Les cellules photovoltaïques, celles auxquelles on pense généralement lorsqu’on évoque les panneaux solaires, ne convertissent qu’environ 20 % du rayonnement solaire qu’elles reçoivent en électricité utilisable. Ces limitations de conversion sont principalement dues au rayonnement solaire lui-même.
Les cellules solaires convertissent la lumière en électricité grâce à un processus relativement simple. Les photons, qui sont des paquets d’énergie lumineuse, proviennent du Soleil et frappent un matériau semi-conducteur, généralement du silicium. Lorsqu’un photon frappe, il transfère son énergie à un électron du semi-conducteur, le libérant et le mettant en mouvement. Le mouvement de ces électrons énergisés constitue un courant électrique.
Le problème est que tous les photons ne sont pas identiques. Leurs niveaux d’énergie varient considérablement selon leur longueur d’onde. Les photons infrarouges, situés à l’extrémité basse énergie du spectre, ne possèdent pas suffisamment d’énergie pour arracher des électrons. Ils traversent la matière ou sont absorbés sous forme de chaleur, une énergie perdue. Les photons de lumière bleue, quant à eux, transportent beaucoup plus d’énergie que nécessaire pour libérer un électron. L’excédent est dissipé sous forme de chaleur, également perdue.
Ce décalage fondamental entre l’apport d’énergie et le seuil d’excitation électronique du semi-conducteur impose une limite d’efficacité stricte, appelée limite de Shockley-Queisser . Pour une cellule solaire standard à simple jonction, cette limite est d’environ 33 %.
Même avec une ingénierie parfaite, il est impossible d’extraire plus d’un tiers de l’énergie solaire incidente par cette méthode. C’est pourquoi même les meilleurs panneaux solaires disponibles sur le marché n’atteignent pas un rendement de conversion supérieur à 25 %.
Dans des conditions normales, un photon excite un électron, créant une unité d’énergie utilisable, appelée exciton. Même lorsqu’un photon plus énergétique que nécessaire frappe la cellule solaire, un seul exciton est généré. Le reste de l’énergie est dissipé sous forme de chaleur. Ainsi, un photon produit toujours un exciton. Ce principe a toujours été considéré comme acquis. Mais que se passerait-il si ce n’était pas le cas ? Cette question est au cœur des recherches menées à Kyushu. L’approche de l’équipe repose sur un phénomène appelé fission de singulet .
La fission de singulet est un processus au cours duquel un exciton de haute énergie se divise en deux excitons de plus basse énergie. Au lieu de produire un exciton par photon, ce processus permet à un seul photon de haute énergie de donner naissance à deux excitons de plus basse énergie.
« Nous disposons de deux stratégies principales pour dépasser cette limite », explique Yoichi Sasaki, professeur associé à la faculté d’ingénierie de l’université de Kyushu. « La première consiste à convertir des photons infrarouges de basse énergie en photons visibles de plus haute énergie. La seconde, que nous explorons ici, repose sur la fission de singulet pour générer deux excitons à partir d’un seul photon excitonique. »
En théorie, cela pourrait doubler le nombre de porteurs de charge utilisables. En pratique, cependant, le procédé présente un défaut majeur : ces excitons supplémentaires sont notoirement difficiles à capturer. Le concept de fission de singulet n’est pas nouveau. Le problème a toujours résidé dans leur capture. Avant que les deux nouveaux excitons puissent être extraits et utilisés, ils sont généralement captés par des mécanismes concurrents, tels que le transfert d’énergie par résonance de Förster (FRET), où l’énergie est en quelque sorte « volée » avant même de pouvoir être utilisée.
C’est là que réside l’innovation des chercheurs, qui fait appel à l’élégance de la physique. Leur solution : un émetteur à « retournement de spin » à base de molybdène, un système qui capture sélectivement ces excitons triplets autrement perdus.
Lors de l’absorption et de l’émission, un électron du complexe inverse son spin. Cette propriété le rend particulièrement apte à accepter les excitons triplets produits par fission de singulet, tout en ignorant la voie FRET concurrente. Il en résulte un rendement quantique mesurable d’environ 130 %. Cela signifie qu’en moyenne, 1,3 excitons sont captés pour chaque photon absorbé.
Alors… ce rendement de conversion solaire de 130 % correspond-il à celui des cellules photovoltaïques ? Absolument pas. Un rendement énergétique de 130 % violerait le principe de conservation de l’énergie, fondement même de la physique. Ce que les chercheurs ont obtenu, c’est un rendement quantique de 130 %, une mesure non pas de l’énergie, mais du nombre de porteurs de charge par photon.
« L’efficacité quantique ne devrait généralement pas dépasser 100 %, mais le rendement quantique peut l’être, si une définition appropriée est fournie, c’est-à-dire en fonction de la façon dont il est défini », explique le Dr Jin Zhang, professeur de chimie et de biochimie à l’Université de Californie à San Diego, qui n’a pas participé à la recherche.
« Alors, en quoi consiste cette “avancée” ? » vous demandez-vous peut-être. En termes simples, les cellules solaires n’absorbent pas plus de lumière solaire que d’habitude. Elles extraient plutôt davantage de porteurs de charge utilisables à partir de la même lumière absorbée, récupérant ainsi l’énergie qui serait normalement dissipée sous forme de chaleur à partir des photons de haute énergie.
Maintenant que la définition de « 130 % » est claire, il devient plus facile d’apprécier ce que les chercheurs ont réellement accompli.
Ils ont démontré la viabilité d’une méthode permettant de capturer et d’utiliser des excitons jusqu’alors inaccessibles. En réduisant les pertes d’énergie et en optimisant le traitement des photons de haute énergie, le système remédie à l’une des principales inefficacités de la conversion solaire. Les photons de lumière bleue, qui dépassent actuellement le seuil et dissipent l’excédent sous forme de chaleur, pourraient être divisés en deux excitons utilisables chacun, réduisant ainsi les pertes thermiques et augmentant le courant.
Des projections réalistes indiquent qu’une cellule solaire à fission singulet bien conçue pourrait améliorer significativement le rendement des panneaux commerciaux actuels, certains modèles atteignant 35 à 45 % dans des conditions idéales. Cela représente jusqu’à deux fois le rendement de certains modèles.
Pour l’instant, l’article, publié dans le Journal of the American Chemical Society , n’en est qu’à la phase de validation de principe. Les expériences ont été menées en solution à l’échelle moléculaire, ce qui signifie que la technologie est encore loin d’être finalisée et qu’il reste plusieurs étapes importantes avant la réalisation d’une cellule solaire à l’état solide.
