De la lumière solaire à l'énergie photovoltaïque

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Henri Bilodeau
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Cérémonie de lancement du Comité National LUMIERE & SOCIETE 9 mars 2017 - MESR De la lumière solaire à l'énergie photovoltaïque Daniel LINCOT Institut

1 Cérémonie de lancement du Comité National LUMIERE & SOCIETE 9 mars MESR De la lumière solaire à l'énergie photovoltaïque Daniel LINCOT Institut de Recherche et Développement sur l Energie Photovoltaïque (IRDEP), UMR EDF-CNRS-Chimie ParisTech, Chatou Institut Photovoltaïque Ile de France (IPVF)

2 Un m 2 reçoit de 0,8 à 3 MWh/an

3 L effet photovoltaïque au cœur de la photosynthèse naturelle -1,3 V/NHE -0,75 V/NHE -0,4 V/NHE 0,8 V/NHE 1,1 V/NHE

1954 : La naissance des cellules photovoltaïques au silicium Caractéristique courant tension I obscurité Vco Eg/q 0 V point de fonctionnement illumination Icc P m T R Bande de conduction I = I 0 [exp

4 1954 : La naissance des cellules photovoltaïques au silicium Caractéristique courant tension I obscurité Vco Eg/q 0 V point de fonctionnement illumination Icc P m T R Bande de conduction I = I 0 [exp (qv/nkt) 1] - I L Rendement quantique = e - produit / photon 1 1 Bande de valence Puissance lumineuse, P lum :1000 W/cm 2 Puissance électrique : P el = VI Rendement : R= P el /P lum mn λg Longueur d onde

30 25 20 15 10 5 1839 1877 E. Becquerel W.G.

5 E. Becquerel W.G. Adams Le découvreur & R.E. Day Cellules Se 1% 1905 Einstein Effet photoélectrique Chapin &Fuller &Person Si(6%) Cellules record Meilleurs modules Moyenne modules ,3%

6 2000 : Début des politiques clés de soutien au développement du photovoltaïque. Contribution dans l épaisseur du trait 2015 : 220 GW (1,3% de la production électrique mondiale) 2016 : 300 GW Projection 2020 : 500 GW Projection 2050 : 4,5 TW, 16% de l électricité mondiale (AIE)

8 La clé du succès : La chute du coût de l électricité photovoltaïque compétitivité réelle 8

9 Rendement théorique de la conversion photovoltaïque L.C. Hirst et al. Progress in Photovoltaics 2011; 19: Limite théorique T R BC, LUMO BV, HOMO The conversion efficiency limit For a single junction Schockley Queisser 9 T : perte d énergie par thermalisation R : perte d énergie par recombinaison

11 Un concept établi : les multijonctions Record : 46% quadruple jonction sous concentration Objectif 2030 : 30% de rendement modules en tandem 11

Le retour de la lumière : Conversion de photons Exemple de conversion UV Visible : Down conversion Normalized Intensity 1.0 5 D 0 > 7 F 2 0.

15% Eu(III) 5 D0 > 7 F 4 80 Enhancement of CIGS solar cells using [Eu(tta) 3 (tppo) 2 ] complex Anatolie Gavriluta, 1,2,3 Thomas Fix, 2 Aline Nonat, 3 Myriam Paire, 4,1 Abdelilah Slaoui, 2 Loïc J.

12 Le retour de la lumière : Conversion de photons Exemple de conversion UV Visible : Down conversion Normalized Intensity D 0 > 7 F D0 > 7 F 0 λ, nm 5 D0 > 7 F 1 5 D0 > 7 F 3 [Eu(tta) 3 (tppo) 2 ] EVA+0.15% Eu(III) PMMA+0.15% Eu(III) PVB+0.15% Eu(III) 5 D0 > 7 F 4 80 Enhancement of CIGS solar cells using [Eu(tta) 3 (tppo) 2 ] complex Anatolie Gavriluta, 1,2,3 Thomas Fix, 2 Aline Nonat, 3 Myriam Paire, 4,1 Abdelilah Slaoui, 2 Loïc J. Charbonnière, 3 Jean- François Guillemoles 5,1 Solar Energy Materials Février 2017 EQE, % CIGS CIGS+EVA(10±2 µm) CIGS+EVA(10±2 µm)+0.05% Eu(III) CIGS+EVA(10±2 µm)+0.1% Eu(III) CIGS+EVA(10±2 µm)+0.2% Eu(III) CIGS+EVA(30±5 µm)+0.3% Eu(III) λ, nm Autre possibilité : Infra Rouge Visible Rendement potentiel > 50%

13 Materials Matters (2015) Sygma Aldrich

14 Un développement foisonnant et diversifié des applications Un impact de plus en plus important et visible dans l évolution de la société et son rapport à l énergie

Le développement centralisé : Les grandes fermes photovoltaïques 1- Chine, Qinghai, Février 2017 Inauguration de la plus grande ferme solaire du monde en Chine, Longyangxia Dam 27 km 2 4 millions de

15 Le développement centralisé : Les grandes fermes photovoltaïques 1- Chine, Qinghai, Février 2017 Inauguration de la plus grande ferme solaire du monde en Chine, Longyangxia Dam 27 km 2 4 millions de panneaux solaires 850 MW 2- Inde, Kamuthi, 648 MW 3- USA, Californie, Topaz, 579 MW 13-France, Cestas, 300 MW (2015) En projet : Chine, Ningxia, 2 GW Ferme solaire Longyangxia Dam, Chine. Crédit : NASA

Le développement décentralisé en milieu urbain

positive Nouvelles ressources financières

16 Le développement décentralisé en milieu urbain et agricole Mouvement de fond Lien avec le développement de l autoconsommation/stockage Mobilité électrique solaire Habitat à énergie positive Nouvelles ressources financières (énergieculteurs) Développement de modèles d économie collaborative

17 Route Solaire Une multiplication des innovations Avion solaire Photovoltaïque flottant Photovoltaique déployable

18 ents/2017/journeepv- SHS/index.php

19 Transparents de réserve

20 L interaction lumière-matière Un dialogue énergétique permanent entre Photons et Electrons énergie Métal Semi-conducteur Molécule électron excité Niveau d énergie permis Photosynthèse E = -qv potentiel E = hν photon1 2 3 E = chaleur BC BI BV lumo photon 4 homo trou A A A 0 λ 0 λ ΒΙ λ 0 λ LH λ

21 La ressource solaire Le soleil se comporte comme un corps noir à 6000 C Maximum 0,5 micron E (ev).λ =1,24 2,5 ev =3, Joule Puissance incidente hors atmosphère: 1360 W/m 2 En un an : 10,6 MWh/m 2 soit près d une tonne équivalent pétrole (11,6 MWh) Puissance incidente de référence au niveau du sol : 1000 W/m 2 soit 1 GW/km 2 Rendement (%)

22 Exemple de jonction supérieure à base de pérovskites Jean Rousset, Javier Ramos et al. 22

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