Matériaux pour l'énergie : nouveaux concepts pour le photovoltaïque

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1 Institut des Nanotechnologies de Lyon, Université de Lyon, INSA de Lyon Matériaux pour l'énergie : nouveaux concepts pour le photovoltaïque Tetyana Nychyporuk Équipe Photovoltaïque 1

2 Le future et le photovoltaïque Le «German Advisory Counsil on Global Change» prévoit que d ici 2100 l énergie solaire pourvoira 70% de la consommation mondiale 2

3 Pertes principales dans les cellules PV à Si 2 Pertes photons IR Pertes par thermalisation hν hν 1 Pertes par thermalisation UV η max obtenu = 25%

4 1 ère génération des cellules solaires La 1 ere génération est la technologie la plus mature dans le photovoltaïque qui se base sur le Si massif. Meilleur rendement d une d cellule PV à base de Si monocristallin : 25% Meilleur rendement d une d cellule PV à base de Si multicristallin : 20% Meilleur rendement d une module à base de Si: ~ 20% Materiaux non-toxiques et abondants 1 ere génération : Les rendements de conversion sont moyens, les coûts de fabrication sont élevés. 4

5 2 eme génération des cellules solaires La 2 eme génération se base sur les cellules à couche mince. Les techniques de fabrication appliquées sont de bas coût. La technologie à couche mince Les techniques de fabrication appliquées sont de bas coût Matériaux: CdTe,, CuInSe2, a-si, µc-si Substrats fléxibles Sanyo 2 eme génération Les rendements de conversion sont bas: : ~ 10-12% 12% 5

6 3 eme génération des cellules solaires La 3 ème génération a pour le but de développer les cellules solaires à haut rendement de conversion toute en gardant les coûts de fabrication bas Approches principales Cellules solaires tandem Conversion «Up/Down» Cellules solaires à porteurs chauds Cellules solaires à bande intermédiaire Excitation des multiples porteurs/photon Les limites thermodynamiques de la conversion de l énergie pour la lumière non-concentrée et concentrée sont 67% et 87%, respectivement 6

7 Structures «tandem» pour cellules PV à haut rendement Intensité (U. A.) Énergie (ev) Structure tandem est constituée d un empilement de cellules PV Le spectre solaire est décomposd composé en bandes d éd énergie Cellule PV 1 Chaque cellule PV est optimisée pour absorber les photons d une d bande d éd énergie précise Cellule PV 2 Cellule PV 3 Jonction tunnel Absorption optimale du spectre solaire : choix approprié des matériaux η max théorique = 87% 7

8 Cellules PV tandem sur III-V Les coûts de fabrications sont extrêmement élevés! Matériau: III-V, Ge Technique de fabrication: MBE, MOCVD Coût de fabrication: 1000 pour 30cm 2 Applications: : PV spatial et concentré Pourquoi pas cellules PV «tandem» tout Si? 8

9 Le record mondial en

10 Cellules «tandem» tout Si à très haut rendement pour PV terrestre Cellule PV Si à grand gap Eg > Eg bulk Si ( ev) Cellule PV Si Cellule PV Si à petit gap Eg < Eg bulk Si ( ev) 10

11 Ingenierie de bandes Eg>1.1 ev Cellule PV Si àgrand gap E g >E g Si mono 11

12 Îlots quantiques en Si Quand la taille de nanocristaux de Si < 5nm, ils se comportent comme les îlots quantiques Les électrons et les trous sont confinés s en 3 dimensions Niveaux de l él énergie discrets (atome artificiel) Un îlot quantique en Si a le gap E g > E g Si mono B.E.A. Saleh, M.C. Teich.. Fundamentals of Photonics.. fig

13 Cellules solaires en Si nanostructuré L effet de confinement quantique augmente le gap du matériau nanostructuré Le gap peut être ajusté par la taille de nanocristaux de Si UNSW ARC 2009 annual report PV cell 1 : E g1 E g PV cell 2 : E g2 PV cell 3 : E g3 Pourquoi pas des cellules solaires en Si nanostructuré? 13

14 Cahier de charge pour le matériau Le gap du Si nanostructuré doit être ajusté entre : ev Couplage électronique entre les nanocristaux -> transport electronique Le Si nanostructuré doit avoir un bon coefficient d absorption La surface du Si nanostructuré doit être passivée pour réduire r les recombinaisons en surface. 14

15 Simulation: influence des interconnection sur le gap 5 1 nm d Energy bandgap (ev) nm 2 nm 3 nm 4 nm Inter-center distance (nm) (a) Le systeme quantique est composé de 27 nanocristaux Si interconnectés (b) L évolution du gap en fonction de la distance entre des nanocristaux Le gap d un d systeme quantique peut être ajusté par la taille et le degré des interconnections entre les nanocristaux Si 15

16 Nanoparticules de Si fortemment interconnectées sans matrice Image TEM Évolution du gap Ajustement du bandgap du 1.15 au 2.9 ev * T. Nychyporuk,, et al, Appl.. Phys. Lett., vol. 95, (2009) N N 16

17 Ingenierie de bandes Eg<1.1 ev Cellule PV Si àpetit gap E g <E g Si mono 17

18 Ingenierie de bandes Eg<1.1 ev Dans le spectre solaire le nombre des photons avec? l energie <1.1 ev est de 25%! E g PV cell 1: Si-nc PV cell 2: Si Il faut transformer le Si en semiconducteur à petit gap PV cell 3: E g3? 18

19 L effet de la diminution du gap du Si E Eg Eg1 2 Il a été démontré sur la technologie ssoi la réduction r de la largeur de bande interdite du Si jusqu à 0.86eV sous la contrainte de 2.7GPa. * Thesis J. Munguia, INL, 2008 LH k L épaisseur de ssoi <20nm: non applicable en PV Absorption jusqu au1.4 au1.4µm m! 19

20 Si contraint en volume Porous Si Porous Si Contrainte biaxiale Contrainte uniaxiale Apparition en volume des contraintes biaxiales ou uniaxiales 20 *T. Nychyporuk,, et al,, brevet, N N , 2008

21 Pourquoi Si poreux Si poreux est une nanoéponge La taille des pores détermine d le type de Si poreux: Microporeux: < 2nm Mesoporeux: : (2-50) Macroporeux: >50nm Surface spécifique très s développd veloppée: e: jusqu à 1200 m 2 /cm 3 G. Bomchil, et al. Appl. Surf. Sci., 1993, vol. 65/66, p

22 Si poreux: générateur des contraints mécaniques Si poreux oxydé 10µm Si poreux oxydé 50µm Substrat de Si 250µm Si poreux peut générer g des contraintes mécaniques m jusqu à 16GPa! 22

23 De la contrainte vers le gap Configuration biaxiale ε=-0.15 x (ω( s -ω 0 ) Configuration uniaxiale ε=-0.3 x (ω( s -ω 0 ) Eg (ev)= x ε S. Richard, et al. J. Appl. Phys., 2003, vol. 94, p Configuration uniaxiale En contrôlant le degré d oxydation du Si poreux le gap du Si contraint en volume peut être réduit jusqu à 0.74 ev 23

24 Perspectives: Vers une cellule «tandem» tous Si η potentiel > 50%! 24

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