IL FAUT AUGMENTER LE RENDEMENT DES CELLULES SOLAIRES!

Transcription

Introduction
L’effet photovoltaique
Les Différents Types
Comment augmenter le rendement?
Management de Photons
IL FAUT AUGMENTER LE RENDEMENT
DES CELLULES SOLAIRES!
Bernard Moine, Antonio Pereira, Amina Bensalah-Ledoux,
Christine Martinet .
Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents
UMR 5620 du CNRS, Université Claude-Bernard Lyon1, FRANCE
JNCO’09, 02/12/09 - 04/12/09
Conclusion
Introduction
Nous avons un vrai problème!
Conclusion
Introduction
Le probleme!
230 années
40 années
50 années
70 années
Conclusion
Introduction
Une Solution!
La Fusion
Nucléaire
Conclusion
Introduction
Les Autres Solutions!
Les énergies
renouvelables
Conclusion
Introduction
Evolution des énergies renouvelables
Conclusion
Introduction
Production dans le Monde
Conclusion
Introduction
Conclusion
L’énergie solaire est-elle une solution suffisante?
Quelques éléments de réponse:
• La Terre reçoit chaque jour l’équivalent de 10000 fois notre
consommation énergétique totale!
• L’énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes
latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus
ensoleillées.
• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2 .
En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire
750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de
13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.
• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la
consommation électrique française, la surface de toits disponible
est de l’ordre de 30000 km2 !
• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!
Introduction
Conclusion
ensoleillées.
Introduction
Conclusion
ensoleillées.
Introduction
Conclusion
ensoleillées.
Introduction
Conclusion
ensoleillées.
Introduction
Potentiel de production d’électricité photovoltaïque en Europe
Conclusion
Introduction
Plan de l’exposé
Introduction
Conclusion
Conclusion
Introduction
Un peu d’Histoire
Conclusion
Introduction
Un peu d’Histoire
Conclusion
Introduction
Comment ça marche?
L’effet photovoltaïque correspond à la capacité
qu’ont certains matériaux
de transformer directement
l’énergie des photons en
énergie électrique.
Dès
que l’énergie du photon
est supérieure à celle
de la bande interdite Eg
du matériaux, une paire
électron-trou est formée.
Conclusion
Introduction
Conclusion
Le rendement des cellules Solaires
Le rendement de conversion énergétique
Le rendement de conversion énergétique (η), est le pourcentage d’énergie
convertie (photons en courant) et collectée, quand une cellule est connectée
à un circuit électrique.
Il y a plusieurs sources de pertes:
• perte par réflexion
• perte thermodynamique
• perte par recombinaison (e− , h+ )
• perte par resistance éléctrique
Introduction
Conclusion
Pourquoi le rendement est-il limité?
La plus efficace cellule solaire est faite d’un matériau convertisseur parfait:
Cela suppose une absorption parfaite, pas de réflexion de telle sorte que tous
les photons d’énergie E > Eg sont absorbés et créent un électron dans la
bande supérieure. Si l’on suppose en plus que l’on a une parfaite séparation
de charge de telle sorte que tous les électrons qui ne se recombinent pas sont
transmis dans le circuit connecté, on obtient le courant maximum possible
pour cette bande interdite.

1 E ≥ Eg
QE(E) =
0 E < Eg
et
JSC = q
R∞
Eg
bs (E)dE
Le photocourant dans ces conditions est uniquement fonction de la valeur de
la bande interdite et du spectre incident
Introduction
Conclusion
Mais même pour une cellule parfaite, il existe toujours un processus de perte
dont on ne peut s’affranchir: c’est l’émission spontanée qui correspond à la
relaxation radiative des électrons.La densité de courant est alors donnée par
la relation:
qV
J(V ) = Jsc − J0 (e kT − 1)
Le courant correspond donc à la difference de deux flux de photons: le flux
des photons absorbés qui est réparti sur un large domaine énergétique
supérieur à Eg et le flux des photons émis qui est énergétiquement concentré
près de Eg .
Introduction
Conclusion
De manière intuitive on peut voir que les materiaux à très faible et à très large
bande interdite seront de mauvais convertisseurs de photons:
• dans le premier cas la valeur de V est trop petite
• dans la second, c’est le photocourant qui est trop faible
Voici la courbe représentant le rendement limite d’une cellule simple jonction
sous les conditions d’éclairement AM1.5 12 :
1 Ces conditions correspondent à un ensoleillement sans nuage sur une surface
inclinée à 37◦ face au soliel situé à un angle de 41.81◦ au dessus de l’horizon.
2 extrait de “The Physics of Solar Cells” by J. Nelson, (Shockley and Queisser)
Introduction
Conclusion
Caractéristiques d’une cellule idéale
• Bande interdite: comprise entre 0.6-2.5 eV. Les semi-conducteurs III-V
comme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeur
optimale 1.42 eV et 1.35 eV respectivement. Si a une valeur moins
favorable (1.1 eV, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moins
cher et très abondant.
• Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs une
absorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur de
quelques dizaines ou centaines de microns.
• Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétrie
spatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conduction
soient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est créée
par une jonction p-n.
• Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bon
conducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent être
excellents.
Introduction
Conclusion
excellents.
Introduction
Conclusion
excellents.
Introduction
Conclusion
excellents.
Introduction
Conclusion
Résumé
Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas des
performances idéales sont:
• Absorption incomplète de la lumière incidente.
• Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pas
d’absorption des photons de très basse énergie < Eg .
• Recombinaison non-radiative des porteurs de charges générés
(présence de défauts).
• Chute de tension due à la résistance électrique entre le point de
génération des électrons et le circuit extérieur.
Introduction
Conclusion
Résumé
Introduction
Conclusion
Résumé
Introduction
Conclusion
Résumé
Introduction
Les Différents Types de Cellules Solaires
Conclusion
Introduction
Les trois générations
Conclusion
Introduction
Rendement des cellules solaires3
3 source
National Renewable Energy Laboratory, www.nrel.gov
Conclusion
Introduction
Comment augmenter le rendement des cellules solaires?
Conclusion
Introduction
Conclusion
Comment augmenter le rendement des cellules
solaires?
Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut:
1. Améliorer l’interaction avec la lumière:
• Augmenter l’absorption.
• Réduire la réflexion
• Concentrer la lumière
Go
Go
Go
2. Transformer et mieux adapter le spectre solaire:
• Par up-conversion pour les photons proche infra-rouges
• Par down-conversion pour les photons ultra-violets
Go
Introduction
Conclusion
solaires?
Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut:
1. Améliorer l’interaction avec la lumière:
• Augmenter l’absorption.
• Réduire la réflexion
• Concentrer la lumière
Go
Go
Go
2. Transformer et mieux adapter le spectre solaire:
• Par up-conversion pour les photons proche infra-rouges
• Par down-conversion pour les photons ultra-violets
Go
Introduction
Conclusion
Introduction
Conclusion
Quantum Cutting
Les mécanismes possibles
L’énergie des photons émis doit être bien adaptée
Les processus impliquant deux ions différents permettent
un meilleur contrôle de l’énergie des photons émis.
Introduction
A le recherche de la meilleure efficacité
1. Augmenter l’absorption ⇒ transitions permises
2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon)
3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des
niveaux d’énergie)
Conclusion
Introduction
Conclusion
Introduction
Conclusion
Introduction
Conclusion
Émission en Cascade: YF3 : Pr 3+
le premier photon émis est violet et peu efficace.
Le rendement quantique est de l’ordre de 128%. a
Ce mécanisme a été observé il y a déjà longtemps
par plusieurs auteurs. b
a Kuck et al., Chem Phys. 310, 139 (2005)
b W.W. Piper, J.A. de Lucas, F.S. Ham, J. Lumin. 8 (1974) 344
J.L. Sommerdijk, A. Bril, A.W. de Jager, J. Lumin. 8 (1974) 341
Introduction
Conclusion
Quantum cutting dans LiGdF4 : Eu 3+
Rendement quantique de 190%. a
Faible absorption: rendement efficace
32% b
a Wegh et al., J. Lumin. 82, 93 (1999)
b Feldmann et al., J. Lumin. 92, 245 (2001)
Introduction
Quantum cutting dans KY3 F10 : Tm3+ 10%
Conclusion
Introduction
Conclusion
Les ions Terres Rares Trivalents
Possibilitées de quantum cutting
Go
Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs
dues aux transitions f → f
Introduction
Conclusion
Go
Introduction
Conclusion
Go
Introduction
Conclusion
Go
Introduction
Conclusion
Go
Introduction
Conclusion
Go
Introduction
Conclusion
Conclusion
Introduction
Conclusion
Exemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.
Allemagne, 120 ha
Conclusion
Introduction
Conclusion
France (Narbonne, 23 ha-7MW)
Conclusion
Introduction
Conclusion
France
Conclusion
Introduction
Conclusion
Suisse
Conclusion
Introduction
Conclusion
Japon
Conclusion
Introduction
Conclusion
USA
Conclusion
Introduction
Conclusion
Taiwan
Conclusion
Introduction
Conclusion
Italie-Vatican
Conclusion
Introduction
Conclusion
Il faut accentuer de plus en plus le développement du
solaire!
• Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec des
rendement supérieur 100%.
• Développer des matériaux à rendement supérieur à 100%
adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant les
gains potentiels en termes de conversion énergétique sont
énormes.
• Nous savons comment faire,
• Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice
Introduction
Conclusion
solaire!
énormes.
Introduction
Conclusion
solaire!
énormes.
Introduction
Conclusion
solaire!
énormes.
Introduction
Conclusion
Introduction
Conclusion
solaires?
En augmentant l’absorption
On peut augmenter l’absorption en structurant la surface du matériau .
Return
Introduction
Conclusion
solaires?
En augmentant l’absorption
On peut augmenter l’absorption en structurant la surface du matériau .
Return
Introduction
Conclusion
solaires?
En réduisant la réflexion
La réflexion peut être réduite avec un traitement anti-réfléchissant (AR) déposé sur la surface de la cellule. Mais les traitement AR sont
optimisés pour une longueur d’onde et donc restent réfléchissant pour les autres. Les cellules silicium sont optimisées pour le rouge, d’où
leur aspect bleuté. L’indice de réfraction du matériau AR doit satisfaire la relation suivante:
n1 =
p
n0 .ns
Pour le Silicium la bonne valeur est de l’ordre de 1.84. Si3 N4 avec n=1.97 est un bon candidat. Des traitements plus sofistiqués et
multicouches peuvent être réalisés mais sont plus coûteux.
Return
Introduction
Conclusion
solaires?
En concentrant la lumière
Une autre façon d’augmenter le rendement consiste à modifier l’angle solide sous lequel le soleil est vu. En effet le flux solaire dépend de
l’angle solide soustendu par le soleil. Si on augmente cet angle en concentrant (focalisant) la lumière le photocourant augmentera. Un
facteur de concentration de 1000 doit induire un rendement de 37% pour une cellule Silicium. Cependant cette estimation ne tient pas
compte du fait qu’en raison d’une forte concentration de la lumière, la température de la cellule augmente, ce qui en réduit l’efficacité.
Return
Introduction
Conclusion
solaires?
Transformer et adapter le spectre solaire
Il est possible de modifier le spectre solaire par des ions luminescents et des
processus d’up/down conversions.
Return
Introduction
Conclusion
Processus Up/Down conversion
Up-conversion
h in
hout
2 IR photons in → 1 visible photon out.
h in
Introduction
Conclusion
Processus Up/Down conversion
Down-conversion
h out
hin
1 blue photon in → 2 near IR photons out.
h out
Return

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