Dépasser la limite de Shockley-Queisser : des cellules solaires à fission singulet avec un rendement quantique de 130 %
Dans les cellules solaires au silicium, l'absorption des photons suit la règle « un pour un » établie par la limite de Shockley-Queisser. Les photons à faible énergie (infrarouge) ne parviennent pas à générer des porteurs de charge. Quant aux photons à haute énergie (plage bleue et ultraviolette), ils perdent leur excès d'énergie sous forme de chaleur par thermalisation parasite.
L'efficacité maximale de ces systèmes se situe autour de 33 %. Le défi central : convertir un seul photon en plusieurs excitons sans pertes.
Mécanisme de la fission singulet
La fission singulet (Singlet Fission) contourne cette limitation. Un photon à haute énergie dans un matériau organique (le tétracène) génère un exciton singulet, qui se scinde en deux excitons triplet à basse énergie.
La limite théorique du rendement quantique est de 200 %. L'obstacle pratique : les excitons triplet sont sujets à la FRET — transfert d'énergie résonnant qui concurrence l'extraction de charge.
- Exciton singulet : état à haute énergie, instable.
- Excitons triplet : deux états à basse énergie, interdits pour une émission directe.
- FRET : processus parasite dissipant l'énergie avant capture.
Émetteur à retournement de spin au molybdène
La solution réside dans un complexe métallique au molybdène capable de capter sélectivement les excitons triplet. À l'absorption d'énergie, l'électron inverse son spin, contournant ainsi la règle de sélection du spin.
Le système tétracène–émetteur au molybdène est précisément ajusté sur le plan énergétique pour supprimer la FRET. Résultat : 13 complexes excités à partir de 10 photons (rendement de 130 %).
Le professeur associé Yoiti Sasaki affirme : « L'accepteur d'énergie ignore la FRET et se concentre exclusivement sur les triplets immédiatement après la fission. »
Expérience et résultats
Une preuve de concept a été réalisée en solution liquide. Le rendement quantique a été mesuré spectroscopiquement : suppression totale des pertes, récolte efficace des triplets.
Comparaison :
| Paramètre | Système standard | Avec fission singulet |
|----------|---------------------|-----------------------|
| Rendement quantique | ≤100 % | 130 % |
| Pertes par FRET | Importantes | Supprimées |
| Génération de chaleur | Élevée (excès d'énergie) | Minimale |
Intégration future et applications
Prochaine étape : passer aux matériaux en phase solide pour des panneaux réels. Intégrer des multiplicateurs moléculaires pourrait améliorer l'efficacité sans augmenter la surface des panneaux.
Applications supplémentaires :
- Affichages OLED ultra-briques grâce à une récolte efficace des triplets.
- Dispositifs quantiques avec contrôle des états de spin.
- Systèmes photovoltaïques hybrides avec couches organiques.
Le projet a été initié par l'étudiant Adrian Zauer, réunissant des expertises japonaises et allemandes.
Points clés
- Rendement quantique de 130 % atteint via fission singulet et émetteur à retournement de spin.
- Suppression complète de la FRET permettant l'extraction des excitons multipliés.
- Technologie applicable dans les cellules solaires en phase solide et les OLEDs.
- Preuve de concept en solution ; objectif : intégration dans les panneaux de nouvelle génération.
- Contourner la limite de Shockley-Queisser redéfinit les frontières fondamentales de la photonique.
— Editorial Team
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