État excité : nouvelle ère pour cellules solaires à haut rendement

Les cellules solaires conventionnelles (silicium) ont une limite théorique de rendement (~29,1 %, limite Shockley-Queisser). Un photon = un électron libéré. Photons haute énergie (UV, bleu) gaspillent l'excès d'énergie en chaleur.

Démonstrations précoces

Le principe (fission singulet : 1 photon → 2 excitons) connu depuis 40 ans, démontré sur cellules organiques. Mais silicium > organique en rendement. Couche tétracène sur silicium : transfert 2 électrons non direct. Percée récente : couplage via points quantiques (inorganiques + excitoniques).

Processus d'excitation : Fission singulet

1. Photon absorbé → exciton singulet (paquet énergie lié électron-trou).
2. Fission : exciton singulet → 2 excitons triplets (chacun ½ énergie initiale).
3. Séparation charges aux interfaces → 2 électrons libres + 2 trous.
4. Courant photocourant doublé pour photons haute énergie.

Excitons : quasi-particules (électron + trou liés par Coulomb), propagent énergie sans transport charge net. Propriétés différentes électrons libres.

Résolution du défi couplage silicium

Silicium = non-excitonique. Couplage direct excitonique→silicium impossible. Solution : couche intermédiaire ultrafine (quelques atomes) d'oxynitrure d'hafnium (HfOₓNᵧ) à l'interface tétracène/silicium. Pont pour transfert excitons triplets vers silicium.

Rôle crucial de la chimie de surface

Transfert énergie = phénomène de surface, pas volume. Équipe MIT a identifié états de surface silicium clés. Couche HfOₓNᵧ : passivation + alignement niveaux énergie → transfert efficace triplets. Résultat : limite théorique portée de 29,1 % → 35 %.

Perspectives & défis restants

• Optimisation cellules silicium (plus minces).
• Stabilisation matériaux (durabilité, encapsulation).
• Commercialisation : quelques années.
• Voies alternatives : pérovskite sur silicium (tandem), multi-jonctions.