Un complexe métallique à inversion de spin pulvérise la barrière de l'efficacité solaire
Des scientifiques de l'université de Kyushu et de l'université Johannes Gutenberg de Mayence ont atteint un rendement quantique de 130 % en utilisant un émetteur à inversion de spin à base de molybdène associé à la fission singulet, ouvrant ainsi la voie au-delà de la limite de Shockley-Queisser pour les cellules solaires de nouvelle génération.
Une équipe de chercheurs japonais et allemands a réalisé ce qui était longtemps considéré comme physiquement impossible : générer plus de porteurs d'énergie à partir de la lumière du soleil que de photons absorbés, atteignant un rendement quantique remarquable de 130 % qui pourrait remodeler l'avenir de l'énergie solaire.
Publiée le 25 mars 2026 dans le Journal of the American Chemical Society, l'étude menée par des scientifiques de l'université de Kyushu et de l'université Johannes Gutenberg (JGU) de Mayence démontre une nouvelle approche de la collecte d'énergie grâce à un phénomène quantique appelé fission singulet, associé à un ingénieux émetteur à "inversion de spin" à base de molybdène.
Briser la limite infranchissable
Les cellules solaires traditionnelles en silicium sont régies par la limite de Shockley-Queisser, un plafond thermodynamique qui plafonne l'efficacité des cellules solaires à jonction unique à environ 33,7 %. Il ne s'agit pas d'une lacune d'ingénierie, mais d'une loi fondamentale de la physique : la majeure partie de l'énergie solaire est perdue sous forme de chaleur ou traverse la cellule sans être utilisée.
La fission singulet offre un moyen de contourner cette barrière. Dans ce processus, un seul photon génère un exciton de haute énergie qui se divise spontanément en deux excitons triplets de plus faible énergie. En théorie, cela pourrait doubler le nombre de porteurs de charge disponibles pour la production d'électricité à partir de chaque photon absorbé.
Mais un problème persiste. Avant que l'énergie générée par la fission puisse être récoltée, elle est fréquemment "volée" par un mécanisme concurrent appelé transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), qui dissipe la précieuse énergie triplet avant qu'elle ne puisse être utilisée.
La solution au molybdène
L'équipe internationale a résolu ce problème en identifiant un complexe métallique à base de molybdène qui agit comme un accepteur d'énergie sélectif en fonction du spin. Dans cet émetteur à "inversion de spin", un électron change d'état de spin lors de l'absorption ou de l'émission de lumière proche infrarouge. Cette propriété unique permet au complexe de capturer sélectivement l'énergie de l'état triplet produite par la fission singulet tout en résistant aux interférences du FRET.
En associant ce complexe de molybdène à des matériaux de fission singulet à base de tétracène en solution, les chercheurs ont obtenu un rendement quantique d'environ 130 %, ce qui signifie qu'environ 1,3 complexe métallique était excité pour chaque photon absorbé. Cela dépasse la limite conventionnelle d'un photon-un exciton et démontre que la multiplication de l'énergie solaire est réalisable dans la pratique.
Du laboratoire au panneau solaire
Les chercheurs précisent qu'il s'agit encore d'une étape de validation de principe. Les expériences ont été menées en solution, et la prochaine étape cruciale consiste à faire passer le système à l'état solide, en réunissant les matériaux de fission singulet et les émetteurs à inversion de spin dans un film ou une architecture de dispositif où un transfert d'énergie efficace peut se produire à grande échelle.
En cas de succès, les implications sont énormes. Les panneaux solaires intégrant la fission singulet pourraient théoriquement dépasser largement les rendements commerciaux actuels de 20 à 25 %, atteignant potentiellement 45 % ou plus. Un tel bond en avant réduirait considérablement le coût par watt de l'électricité solaire et accélérerait la transition mondiale vers les énergies renouvelables.
Le moment est important. L'instabilité géopolitique actuelle faisant grimper les prix de l'énergie et les objectifs climatiques devenant de plus en plus urgents, toute technologie promettant une énergie solaire nettement moins chère et plus efficace suscite un vif intérêt de la part de l'industrie et des gouvernements du monde entier.
Une nouvelle stratégie de conception
Au-delà du photovoltaïque, les chercheurs suggèrent que leur approche de collecte par inversion de spin pourrait trouver des applications dans les LED organiques et même dans l'informatique quantique, où la multiplication contrôlée des excitons et le transfert d'énergie sélectif en fonction du spin sont tout aussi précieux.
L'étude établit ce que l'équipe appelle une nouvelle "stratégie de conception pour l'amplification des excitons", un modèle sur lequel d'autres chercheurs peuvent s'appuyer pour développer des dispositifs pratiques. Bien que les panneaux solaires commerciaux utilisant cette technologie puissent encore être à plusieurs années, la démonstration que la physique fondamentale fonctionne marque un moment charnière dans la quête, vieille de plusieurs décennies, de s'affranchir du plafond d'efficacité du silicium.
