Fusionner les photons pour des cellules solaires plus efficaces

Un procédé original pour convertir des photons (les particules de lumière) de basse énergie à onde longue en photons d'énergie élevée à onde courte vient d'être élaboré par une équipe de chercheurs de l'institut Max Planck de Mayence et du laboratoire de sciences des matériaux de Sony à Stuttgart. Grâce à une habile combinaison de deux substances photo actives, les scientifiques ont pour la première fois réussi à manipuler la lumière normale, comme celle du Soleil, pour combiner l'énergie de photons de longueurs d'onde particulières (Physical Review Letters du 4 octobre 2006).

Ceci n'avait été réalisé auparavant qu'en utilisant une lumière laser de grande énergie. Le succès de ce procédé pourrait être à la base d'une nouvelle génération de cellules solaires plus efficaces.


Le rendement des cellules solaires est aujourd'hui limité, entre autres, par le fait que les ondes longues, la partie à énergie réduite de la lumière du Soleil, ne peuvent pas être utilisées. Un procédé qui amplifierait le niveau bas de l'énergie des particules de lumière par diminution de leur longueur d'onde permettrait aux cellules solaires d'utiliser cette gamme de l'énergie lumineuse qui, jusqu'ici, était perdue, et aurait pour conséquence une augmentation drastique de leur rendement.

Pour apparier deux photons de lumière normale, et en provoquer une sorte de fusion par modification de leur longueur d'onde, les chercheurs ont utilisé deux substances en solution, la porphyrine d'octaethyle de platine et le diphènylane-thracène. Une des substances sert "d'antenne" à une lumière verte entrante (molécules d'antenne), l'autre apparie les photons, en transformant deux photons verts de basse énergie en un photon bleu d'énergie plus élevée, que la seconde substance retransmet ensuite comme un émetteur (molécule émettrice).


Dans le détail, le phénomène est le suivant: en premier lieu, une molécule d'antenne absorbe un photon vert à énergie réduite et le transmet à une molécule émettrice comme un paquet d'énergie. Les deux molécules stockent l'énergie l'une après l'autre dans un état "excité". Puis deux des molécules émettrices chargées en énergie réagissent l'une avec l'autre (une molécule transmet son paquet d'énergie à l'autre). Ceci renvoie cette molécule à son état à énergie réduite. L'autre, au contraire stocke un double paquet d'énergie. Cet état s'effondre ensuite rapidement tandis que ce paquet d'énergie est émis sous forme de photon bleu. Bien que cette particule de lumière soit de longueur d'onde plus courte et plus énergétique que la lumière verte initiale, l'effet final est qu'en réalité aucune énergie supplémentaire n'est produite, mais que l'énergie de deux photons est combinée sur un seul.

Le procédé est très intéressant d'un point de vue chimique car, d'une part les molécules doivent être soigneusement appariées pour permettre à l'énergie d'être transmise efficacement, et d'autre part, ni les molécules d'antenne, ni les molécules émettrices ne doivent perdre leur énergie dans l'opération. Les chercheurs ont donc dû synthétiser une molécule d'antenne capable d'absorber la lumière à onde longue et de la stocker le temps nécessaire à sa transmission aux molécules émettrices. Seul un composé métallo-organique complexe constitué d'un atome de platine à l'intérieur d'une molécule de forme annulaire convenait. La molécule émettrice, pour sa part, devait pouvoir acquérir le paquet d'énergie de l'antenne et le conserver jusqu'à ce qu'une autre molécule émettrice excitée soit trouvée pour une fusion ultérieure des photons.

Comme le procédé permet d'utiliser des zones du spectre de la lumière du Soleil auparavant perdue, les scientifiques espèrent qu'il offrira un point de départ idéal pour des cellules solaires plus efficaces. Pour optimiser le procédé et s'approcher de son application pratique, les chercheurs testent désormais de nouveaux couples de substances pour d'autres couleurs du spectre et expérimentent le moyen de les intégrer dans une matrice de polymère.