Introduction L’effet photovoltaique Les Différents Types Comment augmenter le rendement? Management de Photons Conclusion

IL FAUT AUGMENTER LE RENDEMENTDES CELLULES SOLAIRES!

Bernard Moine, Antonio Pereira, Amina Bensalah-Ledoux,Christine Martinet .

Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux LuminescentsUMR 5620 du CNRS, Université Claude-Bernard Lyon1, FRANCE

JNCO’09, 02/12/09 - 04/12/09

Introduction L’effet photovoltaique Les Différents Types Comment augmenter le rendement? Management de Photons Conclusion

Nous avons un vrai problème!

Introduction L’effet photovoltaique Les Différents Types Comment augmenter le rendement? Management de Photons Conclusion

Le probleme!

230 années

40 années

50 années

70 années

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Une Solution!

La FusionNucléaire

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Les Autres Solutions!

Les énergiesrenouvelables

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Les Autres Solutions!Evolution des énergies renouvelables

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Les Autres Solutions!Production dans le Monde

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Les Autres Solutions!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 plusensoleillées.

• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2.En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.

• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de laconsommation électrique française, la surface de toits disponibleest de l’ordre de 30000 km2!

• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!

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Les Autres Solutions!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 plusensoleillées.

• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2.En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.

• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de laconsommation électrique française, la surface de toits disponibleest de l’ordre de 30000 km2!

• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!

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Les Autres Solutions!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 plusensoleillées.

• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2.En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.

• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de laconsommation électrique française, la surface de toits disponibleest de l’ordre de 30000 km2!

• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!

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Les Autres Solutions!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 plusensoleillées.

• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2.En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.

• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de laconsommation électrique française, la surface de toits disponibleest de l’ordre de 30000 km2!

• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!

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Les Autres Solutions!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 plusensoleillées.

• La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2.En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l’ordre de13.5 TW, toutes sources d’énergie confondue.

• Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de laconsommation électrique française, la surface de toits disponibleest de l’ordre de 30000 km2!

• La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d’années!

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Les Autres Solutions!Potentiel de production d’électricité photovoltaïque en Europe

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Plan de l’exposé

Introduction

L’effet photovoltaique

Les Différents Types

Comment augmenter le rendement?

Management de Photons

Conclusion

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Un peu d’Histoire

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L’effet photovoltaiqueUn peu d’Histoire

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L’effet photovoltaiqueComment ça marche?

L’effet photovoltaïque cor-respond à la capacitéqu’ont certains matériauxde transformer directementl’énergie des photons enénergie électrique. Dèsque l’énergie du photonest supérieure à cellede la bande interdite Egdu matériaux, une paireélectron-trou est formée.

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Le rendement des cellules SolairesLe rendement de conversion énergétique

Le rendement de conversion énergétique (η), est le pourcentage d’énergieconvertie (photons en courant) et collectée, quand une cellule est connectéeà un circuit électrique.Il y a plusieurs sources de pertes:

• perte par réflexion

• perte thermodynamique

• perte par recombinaison (e−, h+)

• perte par resistance éléctrique

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Le rendement des cellules SolairesPourquoi 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 tousles photons d’énergie E > Eg sont absorbés et créent un électron dans labande supérieure. Si l’on suppose en plus que l’on a une parfaite séparationde charge de telle sorte que tous les électrons qui ne se recombinent pas sonttransmis dans le circuit connecté, on obtient le courant maximum possiblepour cette bande interdite.

QE(E) =

1 E ≥ Eg

0 E < Eg

et

JSC = qR∞

Egbs(E)dE

Le photocourant dans ces conditions est uniquement fonction de la valeur dela bande interdite et du spectre incident

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Le rendement des cellules SolairesPourquoi le rendement est-il limité?

Mais même pour une cellule parfaite, il existe toujours un processus de pertedont on ne peut s’affranchir: c’est l’émission spontanée qui correspond à larelaxation radiative des électrons.La densité de courant est alors donnée parla relation:

J(V ) = Jsc − J0(eqVkT − 1)

Le courant correspond donc à la difference de deux flux de photons: le fluxdes photons absorbés qui est réparti sur un large domaine énergétiquesupérieur à Eg et le flux des photons émis qui est énergétiquement concentréprès de Eg .

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Le rendement des cellules SolairesPourquoi le rendement est-il limité?

De manière intuitive on peut voir que les materiaux à très faible et à très largebande 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 jonctionsous les conditions d’éclairement AM1.5 12:

1Ces conditions correspondent à un ensoleillement sans nuage sur une surfaceinclinée à 37◦ face au soliel situé à un angle de 41.81◦ au dessus de l’horizon.

2extrait de “The Physics of Solar Cells” by J. Nelson, (Shockley and Queisser)

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Le rendement des cellules SolairesCaractéristiques d’une cellule idéale

• Bande interdite: comprise entre 0.6-2.5 eV. Les semi-conducteurs III-Vcomme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeuroptimale 1.42 eV et 1.35 eV respectivement. Si a une valeur moinsfavorable (1.1 eV, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moinscher et très abondant.

• Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs uneabsorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur dequelques dizaines ou centaines de microns.

• Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétriespatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conductionsoient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est crééepar une jonction p-n.

• Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bonconducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent êtreexcellents.

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Le rendement des cellules SolairesCaractéristiques d’une cellule idéale

• Bande interdite: comprise entre 0.6-2.5 eV. Les semi-conducteurs III-Vcomme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeuroptimale 1.42 eV et 1.35 eV respectivement. Si a une valeur moinsfavorable (1.1 eV, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moinscher et très abondant.

• Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs uneabsorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur dequelques dizaines ou centaines de microns.

• Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétriespatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conductionsoient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est crééepar une jonction p-n.

• Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bonconducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent êtreexcellents.

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Le rendement des cellules SolairesCaractéristiques d’une cellule idéale

• Bande interdite: comprise entre 0.6-2.5 eV. Les semi-conducteurs III-Vcomme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeuroptimale 1.42 eV et 1.35 eV respectivement. Si a une valeur moinsfavorable (1.1 eV, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moinscher et très abondant.

• Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs uneabsorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur dequelques dizaines ou centaines de microns.

• Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétriespatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conductionsoient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est crééepar une jonction p-n.

• Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bonconducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent êtreexcellents.

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Le rendement des cellules SolairesCaractéristiques d’une cellule idéale

• Bande interdite: comprise entre 0.6-2.5 eV. Les semi-conducteurs III-Vcomme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeuroptimale 1.42 eV et 1.35 eV respectivement. Si a une valeur moinsfavorable (1.1 eV, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moinscher et très abondant.

• Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs uneabsorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur dequelques dizaines ou centaines de microns.

• Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétriespatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conductionsoient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est crééepar une jonction p-n.

• Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bonconducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent êtreexcellents.

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Le rendement des cellules SolairesRésumé

Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas desperformances idéales sont:

• Absorption incomplète de la lumière incidente.

• Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pasd’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 degénération des électrons et le circuit extérieur.

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Le rendement des cellules SolairesRésumé

Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas desperformances idéales sont:

• Absorption incomplète de la lumière incidente.

• Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pasd’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 degénération des électrons et le circuit extérieur.

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Le rendement des cellules SolairesRésumé

Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas desperformances idéales sont:

• Absorption incomplète de la lumière incidente.

• Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pasd’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 degénération des électrons et le circuit extérieur.

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Le rendement des cellules SolairesRésumé

Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas desperformances idéales sont:

• Absorption incomplète de la lumière incidente.

• Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pasd’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 degénération des électrons et le circuit extérieur.

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Les Différents Types de Cellules Solaires

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Les Différents Types de Cellules SolairesLes trois générations

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Les Différents Types de Cellules SolairesRendement des cellules solaires3

3source National Renewable Energy Laboratory, www.nrel.gov

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Comment augmenter le rendement des cellules solaires?

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut:1. Améliorer l’interaction avec la lumière:

• Augmenter l’absorption. Go

• Réduire la réflexion Go

• Concentrer la lumière 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

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut:1. Améliorer l’interaction avec la lumière:

• Augmenter l’absorption. Go

• Réduire la réflexion Go

• Concentrer la lumière 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

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Management de Photons

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Quantum CuttingLes mécanismes possibles

L’énergie des photons émis doit être bien adaptéeLes processus impliquant deux ions différents permettentun meilleur contrôle de l’énergie des photons émis.

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A le recherche de la meilleure efficacité

1. Augmenter l’absorption⇒ transitions permises2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon)3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des

niveaux d’énergie)

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A le recherche de la meilleure efficacité

1. Augmenter l’absorption⇒ transitions permises2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon)3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des

niveaux d’énergie)

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A le recherche de la meilleure efficacité

1. Augmenter l’absorption⇒ transitions permises2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon)3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des

niveaux d’énergie)

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Émission en Cascade: YF3 : Pr3+

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 longtempspar plusieurs auteurs. b

aKuck et al., Chem Phys. 310, 139 (2005)bW.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

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Quantum cutting dans LiGdF4 : Eu3+

Rendement quantique de 190%. a

Faible absorption: rendement efficace32% b

aWegh et al., J. Lumin. 82, 93 (1999)bFeldmann et al., J. Lumin. 92, 245 (2001)

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Quantum cutting dans KY3F10 : Tm3+10%

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Les ions Terres Rares TrivalentsPossibilitées de quantum cutting

Go

Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleursdues aux transitions f → f

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Les ions Terres Rares TrivalentsPossibilitées de quantum cutting

Go

Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleursdues aux transitions f → f

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Les ions Terres Rares TrivalentsPossibilitées de quantum cutting

Go

Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleursdues aux transitions f → f

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Les ions Terres Rares TrivalentsPossibilitées de quantum cutting

Go

Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleursdues aux transitions f → f

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Go

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Les ions Terres Rares TrivalentsPossibilitées de quantum cutting

Go

Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleursdues aux transitions f → f

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Conclusion

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

Allemagne, 120 ha

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

France (Narbonne, 23 ha-7MW)

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

France

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

Suisse

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

Japon

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

USA

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

Taiwan

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ConclusionExemples de quelques installations “solaires” dans le Monde.

Italie-Vatican

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Il faut accentuer de plus en plus le développement dusolaire!

• Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec desrendement supérieur 100%.

• Développer des matériaux à rendement supérieur à 100%adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant lesgains potentiels en termes de conversion énergétique sonténormes.

• Nous savons comment faire,• Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

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Il faut accentuer de plus en plus le développement dusolaire!

• Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec desrendement supérieur 100%.

• Développer des matériaux à rendement supérieur à 100%adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant lesgains potentiels en termes de conversion énergétique sonténormes.

• Nous savons comment faire,• Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

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Il faut accentuer de plus en plus le développement dusolaire!

• Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec desrendement supérieur 100%.

• Développer des matériaux à rendement supérieur à 100%adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant lesgains potentiels en termes de conversion énergétique sonténormes.

• Nous savons comment faire,• Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

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Il faut accentuer de plus en plus le développement dusolaire!

• Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec desrendement supérieur 100%.

• Développer des matériaux à rendement supérieur à 100%adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant lesgains potentiels en termes de conversion énergétique sonténormes.

• Nous savons comment faire,• Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

En augmentant l’absorption

On peut augmenter l’absorption en structurant la surface du matériau .

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

En augmentant l’absorption

On peut augmenter l’absorption en structurant la surface du matériau .

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

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 sontoptimisés pour une longueur d’onde et donc restent réfléchissant pour les autres. Les cellules silicium sont optimisées pour le rouge, d’oùleur 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. Si3N4 avec n=1.97 est un bon candidat. Des traitements plus sofistiqués etmulticouches peuvent être réalisés mais sont plus coûteux.

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

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 del’angle solide soustendu par le soleil. Si on augmente cet angle en concentrant (focalisant) la lumière le photocourant augmentera. Unfacteur de concentration de 1000 doit induire un rendement de 37% pour une cellule Silicium. Cependant cette estimation ne tient pascompte du fait qu’en raison d’une forte concentration de la lumière, la température de la cellule augmente, ce qui en réduit l’efficacité.

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Comment augmenter le rendement des cellulessolaires?

Transformer et adapter le spectre solaire

Il est possible de modifier le spectre solaire par des ions luminescents et desprocessus d’up/down conversions.

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Processus Up/Down conversionUp-conversion

h in

h in

hout

2 IR photons in→ 1 visible photon out.

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Processus Up/Down conversionDown-conversion

h out

h out

hin

1 blue photon in→ 2 near IR photons out.

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