Une méthode a été trouvée pour dépasser la limite fondamentale d’efficacité des panneaux solaires.

Une nouvelle méthode transforme l’énergie lumineuse « en trop » en porteurs de charge supplémentaires, au-delà de la limite classique

Les scientifiques ont proposé une façon de contourner l’une des principales barrières fondamentales de l’énergie solaire : la limite de Shockley-Queisser, c’est-à-dire l’efficacité théorique maximale d’une cellule solaire. Cette limite a été considérée pendant plus de 60 ans comme le plafond supérieur des performances des cellules photovoltaïques.

Les panneaux solaires actuels reposent sur des éléments photovoltaïques - des semi-conducteurs qui convertissent la lumière en électricité. Pourtant, même dans des conditions idéales, ils ne peuvent exploiter qu’une fraction de l’énergie du rayonnement solaire. Le maximum théorique est de 33%, tandis que les panneaux commercialisés atteignent en général seulement environ 25%.

Cette contrainte découle à la fois de la nature de la lumière et de la thermodynamique. Le rayonnement solaire couvre un large spectre d’énergies, mais les cellules photovoltaïques ne convertissent efficacement qu’une bande étroite. Les photons dont l’énergie est trop faible traversent le matériau sans être utilisés, alors que les photons plus énergétiques dissipent leur excès d’énergie sous forme de chaleur.

Dépasser la limite de Shockley-Queisser grâce à la division de singulet (nouvelle approche photovoltaïque)

Dans une étude récente, des chercheurs du Japon et d’Allemagne ont présenté une stratégie pour exploiter une partie du spectre jusqu’ici considérée comme « perdue ». Il s’agit de la lumière bleue, très énergétique, qui en conditions normales se convertit difficilement en électricité avec un bon rendement.

Les chercheurs ont montré que, lorsque ce type de lumière agit sur un composé spécifique, il devient possible de « scinder » l’énergie d’un seul photon en deux excitations utiles. Grâce à ce mécanisme, ils ont obtenu une efficacité d’environ 130% : autrement dit, pour 100 photons absorbés, on génère 130 porteurs d’énergie.

Au cœur du procédé se trouve le phénomène de division de singulet. Celui-ci permet à un état excité unique d’en produire deux, ce qui augmente le nombre de porteurs de charge sans accroître le nombre de photons absorbés.

Pour mettre en œuvre cette méthode, l’équipe a utilisé une molécule organique, le tétracène, associée à un élément métallique, le molybdène. Le tétracène avait déjà été employé dans des dispositifs visant à travailler avec une lumière très énergétique, mais ces systèmes se heurtaient à des difficultés de stabilité et de fonctionnement sur la durée. Selon les auteurs, l’ajout de molybdène a permis de dépasser ces limitations.

L’un des auteurs, le chimiste Yoichi Sasaki de l’Université de Kyushu, a précisé qu’il existe deux grandes voies pour dépasser la limite de Shockley-Queisser. La première consiste à convertir des photons infrarouges de faible énergie en photons plus énergétiques. La seconde s’appuie sur la division de singulet afin d’obtenir deux excitations à partir d’un seul photon - l’approche mise en œuvre dans cette étude.

À ce stade, la recherche reste confinée au laboratoire. Les résultats obtenus illustrent qu’il est possible, en principe, de contourner cette limite fondamentale, mais une utilisation concrète dans des panneaux solaires commerciaux demeure lointaine.

Cela n’en constitue pas moins l’une des avancées les plus marquantes vers une réévaluation d’un plafond longtemps jugé infranchissable. Si la technologie peut être transposée à grande échelle, elle pourrait modifier la manière de concevoir les cellules photovoltaïques et augmenter l’efficacité de l’énergie solaire sans bouleverser radicalement son architecture de base.