De la recherche à l industrie : Illustration du. photovoltaïque

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1 EDF R&D «De la recherche à l industrie : quels objectifs pour le progrès scientifique?» jeudi 14 juin 2012, Cité des Sciences, La Villette, Paris De la recherche à l industrie : Illustration du transfert t du progrès scientifique dans le photovoltaïque Daniel Lincot Institut de Recherche et Développement sur l Energie Photovoltaïque (IRDEP), Unité mixte de recherche EDF-CNRS-Chimie Chimie ParisTech EDF R&D, 6 Quai Watier, Chatou

2 Création en 2005 entre EDF, le CNRS et Chimie ParisTech 40 personnes Environ 1000 m 2 De la recherche fondamentale À l innovation industrielle Association Formation- Recherche -Industrie

3 Plan de l exposé Introduction Analyse de la courbe d expérience du photovoltaique : la première génération La montée en puissance des couches minces : la deuxième génération L irruption des nouveaux concepts très hauts rendements : la troisième génération Apport des méthodes théoriques et de caractérisation Conclusions

4 Le décollage industriel de l énergie photovoltaïique Source : EPIA

5 La conversion photovoltaïque electron Energie Niveau vide Chaleur, lumière photosynthèse Electricité potentiel trou Niveau occupé

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7 Analyse de la courbe d expérience du photovoltaïque Silicium Rendement de conversion (%) E. Becquerel Le découvreur W.G. Adams & R.E. Day Cellules Se 1% Année Chapin &Fuller &Person Recherche : cellules record (1) Si(6%) Applications industrielles modules pour l espace(estimés) (2) Modules terrestres (3) Production industrielle (4)

8 Premier Satellite Alimenté par des cellules photovoltaîques Vanguard, USA, 1958 Photos: J. Wanegue Contact t 1 Si de type P Si de type N Contact 2

9 Cellule record au silicium :l apport de l électronique silicium University of New South Wales (UNSW)

10 L apport des procédés et de l automatisation Source : Photowatt

11 IEEE PVSEC 2009 >2005 : Apport de la microélectronique

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13 05 hybridation Silicium cristallin / Silicium couches minces (indusstrie des écrants plats) s cellules solaires silicium à hétérojonction (Sanyo, PV Alliance) ource : J. Wanegue, Stand Sanyo Valencia 2008

14 Le passage d une industrie «de découpe» massivement parallèle à une industrie du revêtement Les cellules solaire en couches minces «la seconde génération» 5 m 2 d un seul tenant Modules souples & légers

15 1980 Contacts N type layer N + CdS:In (1 2 m) P CuInSe (2 m) 2 ) P type layer Back contact Substrate Mo (0,5 m) Verre Not tto scale 6

16 Analyse de la courbe d expérience des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se : 20,3 % Decollage industriel : 2010 Rendement record module 17,8 % Rendement standard modules % From National Renewable Energy Laboratory 9

17 ZnO CdS 1μm CIGS Mo ITO SLG

18 2010 Contacts Window Layer Buffer layer Absorber layer Back contact Substrate N ++ ZnO : Al (1 m) ) N - ZnO (100 nm) N CdS 10 50nm N Cu(In,Ga) 3 Se 5 (?) Ga P CuIn 0.7 Ga 0.3 Se 2 (2 m) P + Mo(S,Se) 2 ( nm) Mo (0,5 m) In Ga Glass or metal/plastic foil Na + Not tto scale 6

19 Science métallurgique: mécanismes de croissance de couches minces Un élément clé de l amélioration des rendements de conversion Composition : Cu(In,Ga)Se Températures de dépôt : C

20 F. Donsanti Banc d élaboration par coévaporation sous ultravide (IRDEP)

21 Exemple d étude in situ des mécanismes de formation (synchrotron) Polycrystalline Phases during the formation of Cu(In,Al)Se2 M t l alloys Metals, ll Se crystallizes In melts, CuIn2 decomposes Bi Binary selenides l id Chalcopyrite S. Jost, Chair for Crystallography & Structural Physics University of Erlangen, Germany

22 Breakthrough 2011 : 20% Thin film CIGS Solar cell Similar to Poly-Si

23 Voie d amélioration : nouveaux matériaux d interface Remplacement CdS (2.4 ev) par ZnS (3.6 ev) ma/cm2 : 20 to 22 % redement records 15 CdS =14% 5 Jsc=27 ma/cm V[ Volts] 2 Voc=663 mv FF=76% [ ma.c m -2 ] J Zn(S,O,OH) =15% Jsc=30 ma/cm 2 Voc=660 mv FF=75% -35 About 3 ma/cm2 gain in photocurrent with ZnS based Travaux IRDEP : Naghavi et al, 23 EUPVSEC, Valencia (2008)

24 Apport des micro-nanotechnologies et de l optique Microcellules solaires Cu(In, Ga)Se 2 sous concentration : une architecture innovante Myriam PAIRE, Artabaze SHAMS, Laurent LOMBEZ Jean-François GUILLEMOLES, Daniel LINCOT Institute of Research and Development on Photovoltaic Energy - IRDEP 6 quai Watier, CHATOU, France Nicolas PERE-LAPERNE, Stéphane COLLIN, Jean-Luc PELOUARD Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - LPN Route de Nozay, MARCOUSSIS, France

25 APPORT DE L OPTIQUE : Microcellules CIGS sous concentration Concept Réalisation 21,3 % Autre approche : PLASMONIQUE Résultats Collaboration IRDEP-Laboratoire de Nanostructures (LPN-CNRS) 25

26 2011

27 Apport de l électrochimie interfaciale Développement d un procédé d électrolyse bas coût Cu(In,Ga)(S,Se) % (ZSW) By coevaporation Solopower NEXCIS Ef fficiency % Mc Gill NREL Mc Gill ENSCP Hannover IRDEP (11.4%) IRDEP IRDEP CIS Solartech Atotech Atotech Year 2010

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29 Le graal des très hauts rendements «la troisième génération» Apport des nouveaux concepts théorie et modélisation

30 Comportement p Asymptotique y p q? Mono-C Mono C Si Poly-C Si Mono-C GaAs CIGS

31 Limite theorique BC, LUMO BV, HOMO The conversion efficiency limit The conversion efficiency limit For a single junction Schockley Queisser

32 Un concept établi : les multijonctions Rendement record : 43,5 % (2011)

33 Un nouveau concept : Conversion de photons E r oxydes, fluorures Dopage terres rares (ex: NaYF 4 ) Y b * Y b * Y b E r Y b

34 Electronic levels Energie X 1000 cm-1

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40 Panorama complet des recherches dans le domaine photovoltaïque

41 Ruptures Scientifiques et technologiques pour la Réduction du coût de l électricité photovoltaïque IRDEP

42 Conclusions Les recherches sur le photovoltaïque ont permis de faire progresser de façon considérable les performances des dispositifs vers l industrialisation i li ti à grande échelle Initialement né avec l électronique silicium, le photovoltaïque a suivi de profonds mécanismes de différentiation et d évolutions Il s est diversifié en termes de matériaux, de structures, de procédés avec une créativité exceptionnelle Il s enrichit en permanence des avancées scientifiques dans d autres domaines : micro-nanotechnlogies, optique, matériaux (inorganiques et organiques), chimie, physique, théorie et calcul, méthodes avancées de caractérisation Il s approche des limites théoriques de conversion pour les simples jonctions (30%) Il possède une marge de progression considérable vers les très hauts rendements (>50%) Le développement industriel entraine une accélération des recherches pour pouvoir créer des ruptures grâce à l innovation.

43 Merci

44 NEW : Creation of a large R&D institute ( ) Saclay area Thin film photovoltaics High efficiency concepts Low cost processes

45 CNRS Research Federation on Photovoltaics Between L Institut de recherche et développement sur l énergie photovoltaïque (IRDEP), UMR 7174 CNRS-Chimie Paristech-EDF, Chatou Le Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces (LPICM)*, UMR CNRS-Ecole Polytechnique Paristech, Palaiseau Le Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP), UMR 8507 CNRS-Supelec-Paris 11- Paris VI, Gif sur Yvette Le Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) UPR 20- CNRS, Marcoussis L Institut Lavoisier de Versailles (ILV) UMR CNRS-UVSQ, Versailles. Institut des Matériaux de Nantes (IMN :CNRS, Nantes University) Institut Electronique des Solides et des Systèmes (INESS : CNRS, Strasbourg Uni.)

46 Substitution of Indium : The Kesterite alternative Cu 2 ZnSn(S,Se) ev Present efficiency : 9,6% Projet ANR 2010 : NovaCEZ coordonné par l IRDEP (avec 7 partenaires dont CEA LITEN)