Journées Nanosciences & Nanotechnologies Salon Mesurexpo Porte de Versailles, Septembre 2007 Nanostructures et convertion photovoltaïque

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1 Journées Nanosciences & Nanotechnologies Salon Mesurexpo Porte de Versailles, Septembre 2007 Nanostructures et convertion photovoltaïque Daniel LINCOT Institut de Recherche et Développement de l Energie Photovoltaïque (IRDEP) UMR 7174 CNRS-EDF-ENSCP

2 Plan Contexte Les filières classiques à semiconducteurs Les cellules à colorants & organiques Les concepts à hauts rendements Conclusions

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4 Context Solar incident power (AM1,5) :1000 W/m 2 Mean solar energy ressource in France 1300 kwh/m 2.Year PV ressource (@10%) : 130 kwh/m2/year Equivalent 550 TWh/an : 5000 km 2 Infrastructures : km 2 Enormous Ressource for Renewable Energy

5 1 MWc 100 m x 100 m 1.3 GWh/year

6 Les seize premiers : Sharp (Jap), Q-Cells (All), Kyocera(jap), Mitsubishi (jap), Schott Solar (All), BP Solar (UK), Suntech Power (Chine), Motech (Chine), Shell Solar (NL), Isophoton (Esp), Deutsche Cells (All), Photowatt (Fr), Kaneka (jap), Ersol (All), Astropower (USA)

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10 Les filières classiques à semiconducteurs

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13 ZnO CdS 1ƒÊ m CIGS SLG ITO Mo

14 La course à la réduction des épaisseurs Silicium cristallin : 400 microns (1954) 200 microns (2006) 100 microns (2010) microns (couches minces 2005-) Silicium amorphe, polymorphe : 2 microns Couches minces CIS et CdTe 2-5 microns (2005) < 1 micron En parallèle Confinement optique, couches antireflet, ingénierie des contacts Analogie avec les technologies de la microélectronique

15 Passage au nanostructures

16 Nouvelle approche : Le photovoltaïque à l échelle du nanomètre

17 Effect of Dye adsorption in semiconductor photoelectrochemistry Known for long time (H. Gerischer in the 70 s) LUMO I Eclairement Eclairement qv hν Red Ox hν HOMO semiconducteur Fenêtre type de Ntype n Colorant Electrolyte + couple redox contact avant Interface contact arrière/ contre électrode Photocurrent Reponse detected with high magnification (x 10 4 ) on flat surfaces

18 TiO nm

19 CONTACT 1 CONTACT 2

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21 Natural Photosynthesis

22 Grandes directions de recherche Oxyde poreux : TiO 2, ZnO Colorants : Spectre d absorption, coût > remplacement par un composé inorganique Electrolyte : gels, liquides ioniques, solide inorganique

23 Matrice nanoporeuse de ZnO préparée par électrolyse (D. Lincot, T. Pauporte, t. Yoshida)

24 T. Yoshida (2007)

25 Rendement actuel 5,6 % T. Yoshida et al.

26 Cellules «Tout Solide» Cellules ZnO/CdSe/CuSCN Lévy-Clément et al. Adv. Mat (Rendement de conversion d énergie de 2.5 % CdSe déposition Formation de ZnO/CdSe nanofils Cœur-enveloppe Épaisseur 30 nm CdSe

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28 Thanks to Prof. Janssen

29 Thanks to Prof. Saricifti

30 85 % 30 %

31 Comment accroître le rendement de conversion? hν #E g, «hν < E g hν #E g, 2 hν > E g hν #E g, 1 Rendement limite simple jonction 30% Rendement limite multijonctions 85 % Pertes par thermalisation Pertes par non absorption

32 High Efficiency Multijunction concepts State of the art III-V Compounds and Si based W/m 2 /nm) Longueur d onde (nm) More than 40% under concentration (x 286) Spectrolab Very complex, very costly

33 Contrôle de la bande interdite par la taille des nanoparticules Energy (ev) Energy Energie (ev) Particle radius (nm) Particle radius (nm)

34 Dépôt Si-SiO x + recuit thermique Photoluminescence Norm. PL Spectra (2-5nm dots; 300K) 5nm (270s) 4nm (240s) 3nm (180s) 2nm (120s) Si QDs 100nm SiO 2, SiN, SiC 0 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Photon energy, ev Zacharias et al., APL 80, 661, 2002 Source : A. Slaoui (INEss ULP)

35 Ingénierie de bande interdite de Si par des super réseaux de particules quantiques R theo = 50% M. Green, World PV Conf. (2006)

36 Voies de recherche très hauts rendements impliquant des nanostructures > 40% -Ingénierie Optique : Up Conversion, down conversion Couplages optiques résonnants Photonique -Ingénierie Electronique Cellules à porteurs chauds Cellules à ionisation Cellules à bandes intermédiaires Puits quantiques, boites quantiques

37 Ingénierie optique : UP CONVERSION E r Y b * Y b * oxides, fluorides Rare earth doped (ex: NaYF 4 ) Y b E r Y b Source : J.F. Guillemoles IRDEP, F. Pellé LCAES

38 Ingénierie Optique : couplage de la lumière dans la couche active Photons Résonance sur les nanoparticules Modes guidés Source : Pierre DESTRUEL (Institut Laplace)

39 Ingéniérie électronique : ionisation par impact Source : J.F. Guillemoles IRDEP

40 Cellule à porteurs chauds Contacts à base de nanoparticules hν Eg qv E Contact n absorbeur Contact p hν > E g Source : J.F. Guillemoles CNRS-IRDEP M. Green (2006)

41 Conclusions Apports de la dimension nanosciences à la conversion photovoltaïque -Ingénierie optique nouvelle : confinement optique, concentration,conversion de photons.. - Nouveaux matériaux * interpénétrés composites ou hybrides: reduction de la recombination, ajustement des propriétés, séparation et transport électronique. -Nouveaux concepts Des perspectives exceptionnelles : - Augmentation des rendements Réduction des coûts Touche toutes les filières

42 Remerciements C nano J.F. Guillemoles (IRDEP) A. Slaoui (INESS-ULP) P. Destruel (Inst Laplace)

43 Merci pour votre attention

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49 Génération 1 Reflecteur plat Ag ITO Surface texturée Couche p Génération 2 Reflecteur arrière texturé 2-5 microns i-poly Si Couche n Réflecteur arrière &contact Verre Nanostructures Si Polycristallin Silicium polymorphe Silicium amorphe

50 Status of Photovoltaic Technologies Silicon : 98% 94 %crystalline and 4 % thin films (a-si) CdTe and CuInSe 2 (CIS): 2% as thin films GaAs and III-V space applications Dye Cells, test Organic Solar Cells, research stage Very High efficiency concepts