Des chercheurs japonais et allemands ont mis au point des panneaux solaires qui produisent plus d’énergie qu’ils n’en reçoivent, grâce au molybdène et au dédoublement singulet.
Les panneaux solaires partagent tous la même faiblesse. Elles produisent de l’énergie grâce à la lumière du soleil, mais une partie s’échappe sous forme de chaleur. Ce plafond de verre n’est pas seulement lié aux technologies disponibles. Il repose aussi sur un principe physique bien connu des chercheurs. Et c’est cela qui rend la percée des chercheurs de Kyushu University et de Johannes Gutenberg University Mainz si intéressante. Leur travail repose sur un système à base de molybdène, combiné à deux mécanismes encore peu familiers du grand public, le dédoublement singulet et l’émetteur dit spin-flip, pour accroître le rendement des panneaux solaires. Explications.
Qu’est ce qui limite le rendement des panneaux solaires ?
Pour mieux saisir la portée de cette découverte, il est intéressant de revenir sur le fonctionnement de base d’une cellule solaire.
Lorsqu’un photon frappe un matériau semi-conducteur, il transmet son énergie à un électron, ce qui produit un courant électrique. Le principe est simple, mais contrairement aux attentes, toute la lumière solaire n’est pas exploitée de manière équivalente.
Certains photons, notamment ceux dans l’infrarouge, ne disposent pas d’assez d’énergie pour exciter efficacement les électrons. À l’inverse, les photons plus énergétiques, comme une partie de la lumière bleue, apportent un surplus d’énergie qui n’est pas converti en électricité et se dissipe sous forme de chaleur.
Autrement dit, une partie du rayonnement solaire est perdue avant même d’avoir pu être valorisée. Cette contrainte est connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser.
Comment le molybdène et le retournement de spin permettent de récupérer plus d’énergie
Afin d’atteindre un rendement de 130 % sur les panneaux solaires, les chercheurs allemands et japonais se sont appuyés sur un phénomène connu sous le nom de dédoublement singulet, ou singlet fission.
Dans un système conventionnel, un photon absorbé génère au mieux un exciton. Cela correspond à un état énergétique capable de transporter de l’énergie dans le matériau. Avec le dédoublement singulet, la logique change. Un exciton singulet de haute énergie peut être converti en deux excitons triplets de plus basse énergie. Pour faire simple, au lieu de laisser l’énergie se dissiper sous forme de chaleur, le système tente de la redistribuer en deux porteurs exploitables.
Cette idée n’est pas entièrement nouvelle. Certains matériaux organiques, comme le tétracène, sont déjà connus pour permettre ce type de conversion. Le vrai verrou se situait ailleurs dans la capacité à récupérer efficacement cette énergie supplémentaire. Jusqu’ici, une partie du gain promis disparaissait avant même de pouvoir être exploitée, à cause d’un mécanisme appelé FRET.
C’est ici qu’intervient le complexe métallique à base de molybdène dans ces panneaux solaires. Dans cette configuration, il joue le rôle d’émetteur spin-flip. Cela signifie qu’un électron peut changer de spin lors de l’absorption ou de l’émission de lumière proche infrarouge. Le système est alors en mesure de capter plus sélectivement l’énergie des excitons triplets produits après la fission, augmentant ainsi leur rendement.
Que signifie vraiment ce “130 %” et pourquoi il faut éviter les raccourcis ?
Le chiffre de 130 % peut impressionner, mais il mérite d’être immédiatement clarifié. Il ne désigne pas le rendement final d’un panneau solaire commercial. Cela fait plutôt référence à un rendement quantique d’environ 130 %.
En pratique, cela signifie qu’approximativement 1,3 complexe au molybdène a été activé pour chaque photon absorbé. Autrement dit, le système a généré plus de porteurs d’énergie que de photons initialement reçus.
Cette nuance est capitale, puisque le rendement quantique mesure ici la production des porteurs d’énergie à l’échelle moléculaire. Le rendement de conversion d’une cellule solaire correspond, lui, à la part de l’énergie lumineuse effectivement transformée en électricité. Enfin, le rendement réel d’un panneau en toiture dépend encore d’autres paramètres. Cela comprend l’architecture du module, les pertes électriques, la température ou les conditions d’installation.
Il ne faut donc pas mélanger ces lectures, car cela alimente une confusion regrettable entre démonstration scientifique et promesse industrielle. Quoiqu’il en soit, on est sur une avancée majeure, puisque cette démonstration montre qu’il est possible de dépasser le schéma classique du “un photon, un porteur”.
Quelles conséquences pour le solaire et pour la maison de demain
Les chercheurs le disent clairement, cette technologie en est encore à un stade précoce. Les expériences ont été menées dans des conditions optimales. Le prochain défi consiste désormais à intégrer ces matériaux dans des systèmes solides capables de fonctionner dans de vraies cellules solaires. Il faut ainsi améliorer le transfert d’énergie, stabiliser l’ensemble et démontrer que ce type d’approche peut survivre aux exigences industrielles.
Si cette piste se confirme, les implications pourraient toutefois être importantes. Les prochains panneaux solaires pourraient ainsi produire davantage d’électricité sur une surface identique. Une telle situation renforcerait la place du photovoltaïque dans les zones où l’espace manque et pourrait, à terme, contribuer à faire baisser le coût de l’électricité solaire.
Les logements de demain pourraient ainsi envisager une meilleure autoconsommation et une meilleure intégration du solaire dans leur mix énergétique. Les retombées vont même au-delà du photovoltaïque, notamment dans les LED et dans certaines technologies quantiques émergentes.
