Conversion directe de l énergie solaire à haute température: un état des lieux

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1 Conversion directe de l énergie solaire à haute température: un état des lieux Joya Zeitouny Eugene A. Katz Jeffrey M. Gordon Alain Dollet Gilles Flamant Alexis Vossier

2 Plan I. Motivations II. Conversion thermophotovoltaïque III. Conversion thermo-ionique assistée par photons IV. Photo-luminescence activée par température V. Conversion hybride CPV-T VI. Conclusions

3 Conversion directe haute température Pourquoi la température est un paramètre clé? 1) La densité de puissance rayonnée par un corps noir varie avec T 4 2 RSun θ = = 2, r Sun Earth 5 T=3000K P=100W/m² T=5700K P=1300W/m² T=300K P=10mW/m²

4 Conversion directe haute température 2) L efficacité de conversion est fonction de la température 1 ère loi: Q 1 = W + Q 2 2 ème loi: S 1 + S irr = S 2 Cell Q 1 W Pour une machine réversible, l entropie est conservée: W Q1 Q2 Q2 T η = = = 1 = 1 Q Q Q T s a Q 2 Environment T sun =5700K T amb =300K η Carnot + possibilité de stockage thermique de la chaleur résiduelle! ~ 95%!

5 Conversion directe haute température Engouement croissant de la communauté solaire pour les systèmes de conversion «directe» de l énergie solaire à haute température Conversion thermophotovoltaïque Conversion thermo-ionique assistée par photons Photo-luminescence activée par température Conversion hybride CPV-CSP

6 Conversion thermo-photovoltaïque H. Daneshvar, R. Prinja, N. P. Kherani, Applied«Thermophotovoltaics: Fundamentals, challenges and prospects, Applied Energy 159 (2015), Efficacité maximale reportée dans la littérature: ~10% Principaux composants 1) Source de radiation thermique: Carburant, chaleur industrielle, soleil, isotopes radioactifs 2) Emetteur spectral: associé à des composant optiques permettant un contrôle du spectre et un recyclage des photons 3) Cellule photovoltaique

7 Conversion thermo-photovoltaïque Défis scientifiques 1) Emetteur spectral: adapter le contenu spectral de la lumière rayonnée aux cellules photovoltaïques utilisées 2) Filtre sélectif: Réflechir vers l emetteur les photons dont l énergie est inferieure au gap de la cellule. 3) Cellules TPV: Développer des cellules faible-gap, adaptées au contenu spectral du rayonnement des emetteurs TPV.

8 Conversion thermo-ionique assistée par Contexte photons 1 Les premiers réacteur thermo-ioniques ont été développés dans le cadre du programme spatial soviétique 2 Puissance électrique: 6kW Rendement de conversion:~5% 3 Source de chaleur: pile nucléaire 1 Nécessite de très hautes températures(>1,200 C) 2 Systèmes robustes. Longue durée de vie 3 Faibles tensions de sortie

9 Conversion thermo-ionique assistée par Principe photons Schwede et Al, Nature Materials (2010) photo-excitation population de porteurs dans la bande de conduction courant-thermo-ionique. PETE: exploitation simultanée de la chaleur et du rayonnement. Efficacité maximale reportée dans la littérature:??

10 Conversion thermo-ionique assistée par Principe photons Schwede et Al, Nature Materials (2010) L émission d électrons est dominée par la photoémission (faiblestempérature), PETE, ou l émission thermo-ionique, en fonction de la température.

11 Conversion thermo-ionique assistée par photons Défis scientifiques 1) Cellules: Développer des cellules PETE capables d exploiter conjointement la chaleur et le rayonnement de manière optimale (Si: 10-15%, III-V: 20-25%, heterostructures GaAs/AlGaAs: 30%) 2) Contacts électriques: l extraction efficace des porteurs nécessite: -Des matériaux de grille de contact stables à haute T. -Des géométries de grille adaptées 3) Travail de sortie: le travail de sortie de la cathode doit être optimisé afin de minimiser l énergie nécessaire pour extraire les porteurs

12 Principe Photo-luminescence activée par température Système de conversion original de l énergie solaire, basée sur l association d un absorbeur photo-luminescent à haute température et d une cellule solaire GaAs Manor et Al, Nature Communications(2016) L absorbeur est un matériau semi-conducteur à base de terre-rares (néodyme, ytterbium ) présentant un EQE élevé à haute température Efficacité La photoluminescence maximale reportée à haute dans température la littérature: induit 1,4% un décalage vers le bleu du rayonnement émis par l absorbeur

13 Conversion hybride PV-CSP Motivation Il est théoriquement possible de convertir l énergie solaire en électricité avec une efficacité >90% (Carnot) Conversion Photovoltaïque Conversion thermique/thermodynamique η~25% (1 pn jct 1 sun) η max ~86% ( pn jct 46,000 X) Condition: T η~20% (PT, Linear Fresnel C) η~23% (Central Receiver Syst ,200 C) η~30% (Dish Engine) Condition: T

14 Conversion hybride PV-CSP PV CSP Transformation directe de l énergie solaire en électricité Stockage (électrochimique) complexe et coûteux Production instantanée Transformation indirecte de l énergie solaire en électricité Stockage thermique simple et abordable Possibilité de production hors période ensoleillée (nuit/passages nuageux) Faible coût d électricité Coût relativement élevé

15 Conversion hybride PV-CSP A- Cellules solaire 1 soleil Principe: 1. PV sous illumination de 1 soleil 2. Differentes températures de fonctionnement du PV et du CSP Avantage: PV opérant à température ambiante Contraintes: Pertes par thermalisation (PV) 15

16 Conversion hybride PV-CSP B- Division spectrale Principe: Découplage du PV et du CSP Avantages: Température de fonctionnement du PV Contraintes: 1. Pertes par thermalisation (PV) 2. Complexité de mise en oeuvre de la division spectrale Short wavelength photovoltaic converter Long wavelength thermal converter with storage (>300 C) 16

17 Conversion hybride PV-CSP C- Cellules solaires haute température Principe Conditions opératoires (X,T) identiques pour le PV et le CSP. Avantages Pas de pertes par thermalisation. La chaleur residuelle est stockée ou convertie Contraintes: Température du PV Photovoltaic topping cell (~400 C) Thermal converter with storage (~400 C) 17

18 Conversion hybride PV-CSP Performances VS gap électronique des cellules

19 Conversion hybride PV-CSP Cellules solaires haute température T J SC (E g ) V oc (n i ) La concentration solaire permet de réduire sensiblement l effet négatif de la température Braun et Al, Progress in Photovoltaics (2011)

20 Conversion hybride PV-CSP Cellules solaires haute température PV maximal conversion efficiency for temperatures varying between 273 and 773 K and concentrations of (a) 1, (b) 100, (c) 1000 and (d) suns. 1 sun 100 suns 1000 suns suns

21 Conversion directe haute température Conclusions L efficacité avec laquelle l énergie solaire est transformée en électricité est étroitement corrélée à la température caractéristique de la cellule/absorbeur/récepteur Le développement de stratégies reposant sur la conversion «directe» de l énergie solaire à haute température suscite aujourd hui un engouement croissant dans la communauté solaire En dépit des prédictions théoriques prometteuses, ces technologies émergentes sont aujourd hui caractérisées par de faibles efficacités de conversion Nouvelles problématiques matériaux/optiques spécifiques aux hautes températures