IL FAUT AUGMENTER LE RENDEMENT DES CELLULES SOLAIRES!

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1 IL FAUT AUGMENTER LE RENDEMENT DES CELLULES SOLAIRES! Bernard Moine, Antonio Pereira, Amina Bensalah-Ledoux, Christine Martinet. Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents UMR 5620 du CNRS, Université Claude-Bernard Lyon1, FRANCE JNCO 09, 02/12/09-04/12/09

2 Nous avons un vrai problème!

3 Le probleme! 230 années 40 années 50 années 70 années

4 Une Solution! La Fusion Nucléaire

5 Les Autres Solutions! Les énergies renouvelables

6 Les Autres Solutions! Evolution des énergies renouvelables

7 Les Autres Solutions! Production dans le Monde

8 Les Autres Solutions! L énergie solaire est-elle une solution suffisante? Quelques éléments de réponse: La Terre reçoit chaque jour l équivalent de fois notre consommation énergétique totale! L énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus ensoleillées. La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2. En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire 750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l ordre de 13.5 TW, toutes sources d énergie confondue. Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la consommation électrique française, la surface de toits disponible est de l ordre de km2! La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d années!

9 Les Autres Solutions! L énergie solaire est-elle une solution suffisante? Quelques éléments de réponse: La Terre reçoit chaque jour l équivalent de fois notre consommation énergétique totale! L énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus ensoleillées. La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2. En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire 750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l ordre de 13.5 TW, toutes sources d énergie confondue. Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la consommation électrique française, la surface de toits disponible est de l ordre de km2! La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d années!

10 Les Autres Solutions! L énergie solaire est-elle une solution suffisante? Quelques éléments de réponse: La Terre reçoit chaque jour l équivalent de fois notre consommation énergétique totale! L énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus ensoleillées. La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2. En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire 750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l ordre de 13.5 TW, toutes sources d énergie confondue. Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la consommation électrique française, la surface de toits disponible est de l ordre de km2! La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d années!

11 Les Autres Solutions! L énergie solaire est-elle une solution suffisante? Quelques éléments de réponse: La Terre reçoit chaque jour l équivalent de fois notre consommation énergétique totale! L énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus ensoleillées. La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2. En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire 750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l ordre de 13.5 TW, toutes sources d énergie confondue. Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la consommation électrique française, la surface de toits disponible est de l ordre de km2! La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d années!

12 Les Autres Solutions! L énergie solaire est-elle une solution suffisante? Quelques éléments de réponse: La Terre reçoit chaque jour l équivalent de fois notre consommation énergétique totale! L énergie moyenne reçue varie de 100W/m2 pour les hautes latitudes à plus de 600W/m2 dans les régions les plus ensoleillées. La partie non peuplée du Sahara repésente 9 millions de km2. En couvrant cette surface de panneaux solaires on peut produire 750 TW. La consommation terrestre actuelle est de l ordre de 13.5 TW, toutes sources d énergie confondue. Avec 5000 km2 de panneaux on couvre la totalité de la consommation électrique française, la surface de toits disponible est de l ordre de km2! La durée de vie du Soleil est estimée à 5 milliards d années!

13 Les Autres Solutions! Potentiel de production d électricité photovoltaïque en Europe

14 Plan de l exposé

15 Un peu d Histoire

16 Un peu d Histoire

17 Comment ça marche? L effet photovoltaïque correspond à la capacité qu ont certains matériaux de transformer directement l énergie des photons en énergie électrique. Dès que l énergie du photon est supérieure à celle de la bande interdite Eg du matériaux, une paire électron-trou est formée.

18 Le rendement des cellules Solaires Le rendement de conversion énergétique Le rendement de conversion énergétique (η), est le pourcentage d énergie convertie (photons en courant) et collectée, quand une cellule est connectée à un circuit électrique. Il y a plusieurs sources de pertes: perte par réflexion perte thermodynamique perte par recombinaison (e, h+ ) perte par resistance éléctrique

19 Le rendement des cellules Solaires Pourquoi le rendement est-il limité? La plus efficace cellule solaire est faite d un matériau convertisseur parfait: Cela suppose une absorption parfaite, pas de réflexion de telle sorte que tous les photons d énergie E > Eg sont absorbés et créent un électron dans la bande supérieure. Si l on suppose en plus que l on a une parfaite séparation de charge de telle sorte que tous les électrons qui ne se recombinent pas sont transmis dans le circuit connecté, on obtient le courant maximum possible pour cette bande interdite. 1 E Eg QE(E) = 0 E < Eg et JSC = q R Eg bs (E)dE Le photocourant dans ces conditions est uniquement fonction de la valeur de la bande interdite et du spectre incident

20 Le rendement des cellules Solaires Pourquoi le rendement est-il limité? Mais même pour une cellule parfaite, il existe toujours un processus de perte dont on ne peut s affranchir: c est l émission spontanée qui correspond à la relaxation radiative des électrons.la densité de courant est alors donnée par la relation: qv J(V ) = Jsc J0 (e kt 1) Le courant correspond donc à la difference de deux flux de photons: le flux des photons absorbés qui est réparti sur un large domaine énergétique supérieur à Eg et le flux des photons émis qui est énergétiquement concentré près de Eg.

21 Le rendement des cellules Solaires Pourquoi le rendement est-il limité? De manière intuitive on peut voir que les materiaux à très faible et à très large bande interdite seront de mauvais convertisseurs de photons: dans le premier cas la valeur de V est trop petite dans la second, c est le photocourant qui est trop faible Voici la courbe représentant le rendement limite d une cellule simple jonction sous les conditions d éclairement AM : 1 Ces conditions correspondent à un ensoleillement sans nuage sur une surface inclinée à 37 face au soliel situé à un angle de au dessus de l horizon. 2 extrait de The Physics of Solar Cells by J. Nelson, (Shockley and Queisser)

22 Le rendement des cellules Solaires Caractéristiques d une cellule idéale Bande interdite: comprise entre ev. Les semi-conducteurs III-V comme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeur optimale 1.42 ev et 1.35 ev respectivement. Si a une valeur moins favorable (1.1 ev, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moins cher et très abondant. Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs une absorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de microns. Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétrie spatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conduction soient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est créée par une jonction p-n. Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bon conducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent être excellents.

23 Le rendement des cellules Solaires Caractéristiques d une cellule idéale Bande interdite: comprise entre ev. Les semi-conducteurs III-V comme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeur optimale 1.42 ev et 1.35 ev respectivement. Si a une valeur moins favorable (1.1 ev, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moins cher et très abondant. Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs une absorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de microns. Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétrie spatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conduction soient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est créée par une jonction p-n. Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bon conducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent être excellents.

24 Le rendement des cellules Solaires Caractéristiques d une cellule idéale Bande interdite: comprise entre ev. Les semi-conducteurs III-V comme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeur optimale 1.42 ev et 1.35 ev respectivement. Si a une valeur moins favorable (1.1 ev, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moins cher et très abondant. Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs une absorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de microns. Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétrie spatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conduction soient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est créée par une jonction p-n. Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bon conducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent être excellents.

25 Le rendement des cellules Solaires Caractéristiques d une cellule idéale Bande interdite: comprise entre ev. Les semi-conducteurs III-V comme GaAs et InP ont une bande interdite proche de la valeur optimale 1.42 ev et 1.35 ev respectivement. Si a une valeur moins favorable (1.1 ev, rendement maximum 29%) mais est beaucoup moins cher et très abondant. Absorption de la lumière: pour la plupart semi-conducteurs une absorption presque parfaite est obtenue avec une épaisseur de quelques dizaines ou centaines de microns. Séparation des charges: Le matériau doit présenter une asymétrie spatiale de telle sorte que les électrons dans la bande de conduction soient conduits loin de leur point de création. Cette asymétrie est créée par une jonction p-n. Pertes électriques: le matériau des électrodes doit être un très bon conducteur et les contacts ohmiques avec la jonction doivent être excellents.

26 Le rendement des cellules Solaires Résumé Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas des performances idéales sont: Absorption incomplète de la lumière incidente. Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pas d absorption des photons de très basse énergie < Eg. Recombinaison non-radiative des porteurs de charges générés (présence de défauts). Chute de tension due à la résistance électrique entre le point de génération des électrons et le circuit extérieur.

27 Le rendement des cellules Solaires Résumé Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas des performances idéales sont: Absorption incomplète de la lumière incidente. Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pas d absorption des photons de très basse énergie < Eg. Recombinaison non-radiative des porteurs de charges générés (présence de défauts). Chute de tension due à la résistance électrique entre le point de génération des électrons et le circuit extérieur.

28 Le rendement des cellules Solaires Résumé Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas des performances idéales sont: Absorption incomplète de la lumière incidente. Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pas d absorption des photons de très basse énergie < Eg. Recombinaison non-radiative des porteurs de charges générés (présence de défauts). Chute de tension due à la résistance électrique entre le point de génération des électrons et le circuit extérieur.

29 Le rendement des cellules Solaires Résumé Les principales raisons pour lesquelles une cellule solaire ne donne pas des performances idéales sont: Absorption incomplète de la lumière incidente. Une plus faible efficacité des photons de haute énergie et pas d absorption des photons de très basse énergie < Eg. Recombinaison non-radiative des porteurs de charges générés (présence de défauts). Chute de tension due à la résistance électrique entre le point de génération des électrons et le circuit extérieur.

30 de Cellules Solaires

31 de Cellules Solaires Les trois générations

32 de Cellules Solaires Rendement des cellules solaires3 3 source National Renewable Energy Laboratory,

33 Comment augmenter le rendement des cellules solaires?

34 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut: 1. Améliorer l interaction avec la lumière: Augmenter l absorption. Réduire la réflexion Concentrer la lumière Go Go Go 2. Transformer et mieux adapter le spectre solaire: Par up-conversion pour les photons proche infra-rouges Par down-conversion pour les photons ultra-violets Go

35 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? Pour augmenter le rendement des cellules solaires on peut: 1. Améliorer l interaction avec la lumière: Augmenter l absorption. Réduire la réflexion Concentrer la lumière Go Go Go 2. Transformer et mieux adapter le spectre solaire: Par up-conversion pour les photons proche infra-rouges Par down-conversion pour les photons ultra-violets Go

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37 Quantum Cutting Les mécanismes possibles L énergie des photons émis doit être bien adaptée Les processus impliquant deux ions différents permettent un meilleur contrôle de l énergie des photons émis.

38 A le recherche de la meilleure efficacité 1. Augmenter l absorption transitions permises 2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon) 3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des niveaux d énergie)

39 A le recherche de la meilleure efficacité 1. Augmenter l absorption transitions permises 2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon) 3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des niveaux d énergie)

40 A le recherche de la meilleure efficacité 1. Augmenter l absorption transitions permises 2. Limiter les transitions non-radiative (faible énergie de phonon) 3. Favoriser les processus de relaxation croisée (position des niveaux d énergie)

41 Émission en Cascade: YF3 : Pr 3+ le premier photon émis est violet et peu efficace. Le rendement quantique est de l ordre de 128%. a Ce mécanisme a été observé il y a déjà longtemps par plusieurs auteurs. b a Kuck et al., Chem Phys. 310, 139 (2005) b W.W. Piper, J.A. de Lucas, F.S. Ham, J. Lumin. 8 (1974) 344 J.L. Sommerdijk, A. Bril, A.W. de Jager, J. Lumin. 8 (1974) 341

42 Quantum cutting dans LiGdF4 : Eu 3+ Rendement quantique de 190%. a Faible absorption: rendement efficace 32% b a Wegh et al., J. Lumin. 82, 93 (1999) b Feldmann et al., J. Lumin. 92, 245 (2001)

43 Quantum cutting dans KY3 F10 : Tm3+ 10%

44 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

45 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

46 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

47 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

48 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

49 Les ions Terres Rares Trivalents Possibilitées de quantum cutting Go Les ions Terres rares donnent des émissions de toutes les couleurs dues aux transitions f f

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51 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. Allemagne, 120 ha

52 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. France (Narbonne, 23 ha-7mw)

53 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. France

54 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. Suisse

55 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. Japon

56 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. USA

57 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. Taiwan

58 Exemples de quelques installations solaires dans le Monde. Italie-Vatican

59 Il faut accentuer de plus en plus le développement du solaire! Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec des rendement supérieur 100%. Développer des matériaux à rendement supérieur à 100% adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant les gains potentiels en termes de conversion énergétique sont énormes. Nous savons comment faire, Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

60 Il faut accentuer de plus en plus le développement du solaire! Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec des rendement supérieur 100%. Développer des matériaux à rendement supérieur à 100% adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant les gains potentiels en termes de conversion énergétique sont énormes. Nous savons comment faire, Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

61 Il faut accentuer de plus en plus le développement du solaire! Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec des rendement supérieur 100%. Développer des matériaux à rendement supérieur à 100% adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant les gains potentiels en termes de conversion énergétique sont énormes. Nous savons comment faire, Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

62 Il faut accentuer de plus en plus le développement du solaire! Les processus de quantum cutting ont été démontrés avec des rendement supérieur 100%. Développer des matériaux à rendement supérieur à 100% adaptés aux cellules solaire reste un challenge. Cependant les gains potentiels en termes de conversion énergétique sont énormes. Nous savons comment faire, Nous devons chercher le meilleur couple Ion-Matrice

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64 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? En augmentant l absorption On peut augmenter l absorption en structurant la surface du matériau. Return

65 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? En augmentant l absorption On peut augmenter l absorption en structurant la surface du matériau. Return

66 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? En réduisant la réflexion La réflexion peut être réduite avec un traitement anti-réfléchissant (AR) déposé sur la surface de la cellule. Mais les traitement AR sont optimisés pour une longueur d onde et donc restent réfléchissant pour les autres. Les cellules silicium sont optimisées pour le rouge, d où leur aspect bleuté. L indice de réfraction du matériau AR doit satisfaire la relation suivante: n1 = p n0.ns Pour le Silicium la bonne valeur est de l ordre de Si3 N4 avec n=1.97 est un bon candidat. Des traitements plus sofistiqués et multicouches peuvent être réalisés mais sont plus coûteux. Return

67 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? En concentrant la lumière Une autre façon d augmenter le rendement consiste à modifier l angle solide sous lequel le soleil est vu. En effet le flux solaire dépend de l angle solide soustendu par le soleil. Si on augmente cet angle en concentrant (focalisant) la lumière le photocourant augmentera. Un facteur de concentration de 1000 doit induire un rendement de 37% pour une cellule Silicium. Cependant cette estimation ne tient pas compte du fait qu en raison d une forte concentration de la lumière, la température de la cellule augmente, ce qui en réduit l efficacité. Return

68 Comment augmenter le rendement des cellules solaires? Transformer et adapter le spectre solaire Il est possible de modifier le spectre solaire par des ions luminescents et des processus d up/down conversions. Return

69 Processus Up/Down conversion Up-conversion h in h out 2 IR photons in 1 visible photon out. h in

70 Processus Up/Down conversion Down-conversion h out h in 1 blue photon in 2 near IR photons out. h out Return