Photovoltaïque : solutions actuelles et futures. JJ Simon, Equipe OPTO-PV

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1 Photovoltaïque : solutions actuelles et futures JJ Simon, Equipe OPTO-PV 1

2 Plan de l exposé Introduction Histoire Données économiques Fonctionnement d une cellule solaire Les différentes filières (performances, verrous, axes de recherches) - Silicium massif - Couches minces - Cellules solaires organiques 2

3 " Quelques idées (mal) reçues. " 3

4 " Les panneaux solaires dépensent plus d énergie qu ils n en fournissent " Faux: l énergie totale dépensée par un panneau solaire au cours de sa vie (fabrication, maintenance, recyclage) est récupérée en électricité au bout de quelques mois de fonctionnement. Energy Pay Back Time (an): Energie dépensée Energie fournie / an 4

5 " Il n y a pas assez de soleil en Europe " " Il faudrait couvrir la moitié de la France " Faux: Si l on voulait remplacer la moitié de l énergie d origine nucléaire en France, il faudrait couvrir 1000km² de panneaux solaires (0.18% de la surface de l hexagone). Les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d énergie solaire que n en consomme l humanité en toute une année. 5

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7 Un peu d histoire 7

8 1839: Un chercheur français Henri Becquerel fut le premier à décrire l effet photovoltaïque : de la lumière sur une électrode placée dans un liquide électrolytique produisait une tension. (E. Becquerel,"Mčmoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires", C. R. Acad. Sci. Paris, 1839, 9, ) 8

9 1876 : William Grylls Adams et Richard Evans Day découvrent qu un matériau solide (le selenium) produit de l électricité sous éclairement : Daryl Chapin, Calvin Fuller, and Gerald Pearson développent la première cellule solaire silicium au Bell Telephone Laboratory avec un rendement de 4% "A New Silicon p-n JunctionPhotocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power ", J. Appl. Phys., 1954, 25, ) 9

10 Something new under the sun. Commercial for the first silicon solar cell by Bell Telephone Laboratories,

11 1963 Sharp Corporation produisent le premier module photovoltaïque : Recherche spatiale 1980 : Applications civiles 11

12 Coté économie 12

13 MWc en 2009 x3 en 3 ans Croissance forte en Europe Source EPIA

14 67 MW en 2009 Source EPIA

15 Les fabricants de cellules PV dans le monde Rq. : 9 des 10 premiers fabricants de cellules PV produisent du silicium cristallin La plupart des grands fabricants de cellules se situent en Asie (Japon, Chine, Taïwan). 1 seul européen Q-Cells 15

16 Les fabricants de cellules solaires (PV et thermique) en France Si a Paris SOLEMS silicium Si multi NEXCIS Rousset CIGS modules 16

17 Coté économies (?) 17

18 1m² = 800 euros (Installation) euros (Aides PACA) 3kWc max autorisés = 25 m² rachat EDF 0.58 euros le KWh 2000 euros / an en PACA amortissement en 8 ans Gain espéré = euros 18

19 Les éléments d un système photovoltaïque Batteries AC Onduleur DC DC Panneau solaire Régulateur Onduleur AC Connexion au réseau EDF 19

20 Comment fonctionne une cellule? 20

21 Paramètres clés de toute technologie photovoltaïque Durée de vie Rendement Coût L importance relative de chaque paramètre dépend de l Application visée 21

22 Comment comparer les cellules? Notion de Rendement Tension de circuit ouvert V oc Densité de courant de court circuit J cc Nombre de photons absorbés (Gap du matériau) Facteur de forme FF Niveaux énergétiques des matériaux J cc Phénomènes de transport Conversion de l énergie solaire en énergie électrique : Rendement de conversion η (puissance incidente / puissance reçue) η = JccVcoFF P 0 Spectre solaire AM1.5 22

23 L Objectif: GRANDEUR ELECTRIQUE RAYONNEMENT SOLAIRE Laurent Mignaux/MEEDDM 23

24 Schéma OPTIQUE d une cellule solaire Contact avant Couche d interface couche Couche antireflet antireflet SCIENCE DES MATERIAUX ELECTRONIQUE Contact arrière Substrat Matériau(x) actif(s) 24

25 Spectre solaire* (en irradiance) Energie Photon Electron norme AM1.5 : angle d incidence des radiations solaires de 48 / à la surface. 25

26 Spectre solaire (en nombre de photons) UV Visible IR E g (ev) = 1.24 / λ(µm) 26

27 Matériaux faible Gap ou grand Gap? 1,1 µm µm 1,85 µm Germanium: (0,67 ev) Jcc Vco Bande de conduction E g e - Bande de valence qv Bande de conduction Silicium: (1,12 ev) E g e - qv Bande de valence Bande de conduction η = J ccvco FF P 0 CdTe: (1,49 ev) Jcc Vco E g e - Bande de valence qv 27

28 Rendements de cellules PV en fonction de E G Gap idéal = 1.4 ev 28

29 Influence du coefficient d absorption linéique (α) Flux lumineux absorbé Φ Loi de Beer-Lambert absorbeur φ( x ) = φ exp α( λ). x 0 α = 4 πk / λ Φ 0 Φ (x) Longueur de pénétration (63% du flux incident) 29

30 Coefficient d absorption organiques Conditionne l épaisseur de la couche active de la cellule et donc de la quantité de matériau nécessaire à une absorption maximale du spectre solaire Ex: 200µm pour le Silicium contre 200nm pour les organiques 30

31 Les différentes filières de Cellules Solaires 31

32 Les différentes filières de Cellules Solaires Silicium massif Couches minces : silicium (amorphe, microcristallin), CIGS, CdTe Organiques et hybrides 32

33 Production annuelle de PV par filière: 33

34 Filière SILICIUM Massif Lingot cristallisé 240 Kg Ex: Production de Photowatt S.A. Découpe des briques Fabrication des cellules Découpe des wafers (sciage à fil) Assemblage des modules 34

35 Filière SILICIUM massif Avantages Matière première abondante (sable) Non toxique et stable Connaissances industrie microelectronique Propriétés électriques (durées de vie, mobilités) Limites: Hauts rendements Production énergivore Coût Silicium Challenges: Silicium bas côut Confinnement optique ( car amincissement des wafers) 35

36 Rendement record Cellules Silicium (à la vente) 36

37 SILICIUM Massif COUCHES MINCES Epaisseur µm Epaisseur 2-3µm 37

38 Trois matériaux ont été rapidement identifiés (années 1970) dans les chalcogénures. Ils présentent tous une excellente cristallinité, même par dépôt à basse température : Cu 2 S dans CdS/Cu 2 S abandonné ( 1980) après début d'industrialisation, car pas stable. CdTe CuInS,Se 2 (CIS ou CIGS) + le silicium amorphe hydrogéné, découvert (par hasard) au début des années 70 38

39 Filière COUCHES MINCES Technologie Forces Faiblesses 39

40 Silicium Amorphe : a-si Organisation Gap Optique c-si Périodique Indirect 1.12 ev a-si:h Ordre à courte distance Direct 1.5 ev ev L abs à =650nm 3.2 µm 300 nm Mobilité e - (cm 2.V -1.s - 1 ) L diff des e - (µm) Conc. défauts au milieu du gap (cm -3 ) PECVD (200 C) 40

41 41

42 Tellurure de Cadmium : CdTe Propriétés physiques adaptées: (E g = 1.44eV, L abs ~1µm) Pas dopable n mais hétérojonction avec CdS. Performances : R&D 16,5% Meilleurs modules 11,5% Modules commerciaux 9,5% Procédés de Fabrication : Spray Sérigraphie (Matsushita) Dépôt électrolytique (BP Solar) Sublimation (First Solar) Pulvérisation, CVD,... Industrie : FirstSolar, capacité 1GWc Cout direct 0,75$/Wc Développement bridé par crainte des règlements anti Cadmium (First Solar rachète les modules en fin de vie) 42

43 Cuivre Indium Gallium Soufre -Selenium CIGS,Se CIGS CIS 2 Rendements: R&D 20,1 % (ZWS Stuttgart mai 2010)* Meilleurs modules 13% Modules commerciaux >10% Fabrication: Spray (pulv. Reactive) Co-évaporation et sélenisation électrolyse (Nexcis) Jet d'encre (Nanosolar) Avantages: - Tolérance aux défauts cristallographiques - Tolérance à la déviation stochiométrique - Auto-réparation (ions Cuivre) R&D Eviter CdS (ZnS) indium, faible disponibilité * 43

44 Du CIGS à Rousset ENSCP (worl record 6,5%) IRDEP (EDF-CNRS-ENSCP) N P Source NEXCIS 44

45 Rendements records des cellules solaires ¾ 1ère génération ¾ 2ème génération ¾ 3ème génération 45

46 Cellules multi-jonctions ou cellules dites tandem Cellules composés de semiconducteurs III-V Croissance par MOCVD ou MBE. E g Record : 41.1% (GaInP/GaInAs/ Ge) Sous concentrateur Source : Sunlab 46

47 Côté recherche 47

48 Schéma de principe de la cellule Nanocristaux de silicium 48

49 «Nanofils» de silicium pour : La réalisation de cellules solaires 3 ème génération (EJM) Couche Si nano structurée hν Grand gap Eg 1 hν>eg 1 Eg 1 >hν>eg 2 Petit gap Eg 2 Kandala et al., phys. stat. sol. (a), 1 6 (2008) Principe de la cellule tandem La réalisation d anti reflets pour cellules solaires (procédé bas coût) Bulk s ilicon Si-NW array by HF-AgNO 3 40 Reflectance (%) R < 3% J. Le Rouzo, C. Alfonso, M. Amin, D. Barakel, M. Gailhanou, D. Maestre, L. Roussel λ (nm) 49 49

50 SPARCS : Structures Photoniques pour l'amélioration du Rendement des Cellules Solaires photovoltaïques D. Duché,, J. Le Rouzo, W. Vervisch, L. Escoubas, JJ. Simon Réflecteur face arrière sur Si massif - Modélisations RCWA (Rigourous Coupled Wave Analysis) et FDTD (Finite Difference Time Domain). - Utilisation des propriétés des cristaux photoniques 50

51 Autres concepts: Down-conversion 1 photon UV produit 2 photons à Eg (multi-photon emission, cascade emission) Up-conversion 2 photons IR à Eg/2 produisent 1 photon Eg (Multi-photon excitation). 51

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53 La plastique est-il fantastique? 2010: Création GDR Electronique Organique Lionel Hirsch - IMS - Bordeaux 53

54 Single junction Tandem cell Organic solar cell efficiences 8% Solarmer Heliatek Solarmer Efficiency (%) Solarmer Konarka Konarka 54

55 2009 les premiers produits commercialisés : Konarka, New Bedford (Masschusett) capacité de production: 1 GWp/an. 55

56 2000 Nobel Prize in Chemistry: Conductive Polymers Prof. Alan J. Heeger UCSB 2000 Nobel Prize in chemistry Awarded "for the discovery and development of conductive polymers" + Donor 300 fs hν - Acceptor e - R O R O R O O R O R 1 Opt. Commun. 141, 243 (1997) 2 Phys. Rev. B56, 4573 (1997) O R n 56

57 Historique 57

58 Al, Au LiF, BCP Polymère / Petites molécules PEDOT-PSS ITO Épaisseurs des couches ~ 100 nm 58 Electrode Couche d interface Couche active Couche d interface Electrode conductrice transparente + -

59 Principe de fonctionnement d une cellule solaire organique Transparent anode hν Donor 2 - Generation of excitons 1 Photon absorption 3 Exciton diffusion 5 Holes transport 5 Electron transport 4 Exciton dissociation by charge transfert at interface D-A interface Acceptor Cathode Deux longueurs caractéristiques: -Longueur de diffusion des charges qq 100nm => épaisseur couche active - Longueur de diffusion des excitons qq 10nm => morphologie couche active 59

60 Couche active = Mélange interpénétré d un matériau donneur et d un matériau accepteur Matériau Accepteur Accepteur Matériau Donneur Accepteur Mélange en solution Donneur Réseau interpénétré (blend) 60

61 Optimisation de la morphologie du mélange Paramètres influents: -Solvants -Rapport massique polymère/c60 -Cristallinité du mélange (postrecuit)= augmentation de la mobilité Etude MEB Toluene Chlorobenzene ITO ITO Taille idéale des nano-domaines 15nm 61

62 (donneur) (accepteur) 62

63 Données électriques AFM position (z) de l échantillon distance pointe-échantillon Force/flexion microlevier Pointe conductrice : Polarisation de la pointe Tension pointe-échantillon Mesure courant/tension Données topographiques Conductive-AFM Thèse Guillaume Rivière (collaboration Franck Bassani) Cf Poster 63

64 Les verrous technologiques de la filière organique: Une absorption du spectre solaire limitée - chimie des polymères - photonique Oxydes conducteurs transparents (ITO) Vieillissement des cellules (roles des électrodes) Encapsulation (sensibilité à l eau et à l O 2 ) 64

65 Confinement optique Stratégies photoniques pour améliorer la collecte de la lumière de cellules solaires organiques : - ingéniérie du champ électromagnétique - micro/nano structuration de la surface - plasmonique nanoparticule métallique métal nanostructuré - cristaux photoniques couche mince 65

66 Notion de plasmons Interaction onde lumineuse / nano particules métalliques la diffusion interne de la lumière les plasmons de surface localisés (exaltation du champ électromagnétique) Thèse Sylvain Vedraine Cf Poster 66

67 . SiO. SiO Thèse David Duché MEH-PPV:PCBM Substrat Substrat / NPs / MEH- PPV:PCBM 1:4 Ag SiO 2 / / NPs Silver argent NPs SiO 2 / / MEH-PPV:PCBM MEH PPV:PCBM (50 nm) SiO SiO 2 / / NPs Silver d'argent/meh-ppv:pcbm NPs / MEH PPV:PCBM (50 nm) 1000 nm 10 0 nm A+D=1-R-T nm nm 0 1 x 1 µm Longueur Wavelength d'onde (nm) (nm) Image AFM : clusters d'argent d'environ 100 nm de largeur et 40 nm de hauteur. Courbes de A + S (Absorption + Diffusion) en fonction de λ (issues de mesures spectrophotométriques de R et T) D. Duché, P. Torchio, L. Escoubas, F. Monestier, J.J. Simon, F. Flory, and G. Mathian, "Improving Light Absorption in Organic Solar Cells by Plasmonic Contribution", Solar Energy Materials & Solar Cells, 93, pp (2009). 67

68 Désordre Accepteur Cylindres en P3HT Ordre hν Matrice de PCBM Donneur Période a Structuration de la couche active sous la forme d un cristal photonique Thèse David Duché Cf Poster 68

69 Résultats de modélisation Cylindres en P3HT hν Matrice de PCBM Blend P3HT:PCBM Cristal photonique 60 Hauteur 50 Période a Paramètres pertinents: n: la différence d indice entre les deux matériaux Géométrie de la structure: période, motif de la maille A (%) λ (nm) Méthode utilisée FDTD (Finite Difference Time Domain) Une amélioration de l absorption (35,6%) entre 600 et 700nm D. Duché et al. Appl. Phys. Lett. 92, (2008). 69

70 Résultats expérimentaux (1) Autoclave haute pression Matrice de nanocanaux en alumine (Al 2 O 3 ) Coll. LCP (M Eyraud) Période = 100 nm nano-velouteur La période (100nm) est en accord avec celle de la matrice La longueur des fibres (100nm-200nm) est dans la gamme visée pour le transport des charges PMMA 100 nm 70

71 Résultats expérimentaux (2) Nano-imprint - couches P3HT/PCBM - P3HT Thèse David Duché (Collaboration LTM Grenoble Cécile ) 71

72 Remerciements: Ludovic Escoubas, Judikael Le Rouzo, Marcel Pasquinelli et Philippe Torchio pour les transparents François Flory, Olivier Palais, Damien Barakel, Wilfried Verwisch, Laurent Ottaviani, Isabelle Périchaud Yves Faure, François Warchol Hassina Derbal David Duché, Guillaume Rivière, Gizachew Yeabiyo, Antonin Moreau, Vincent Brissoneau, Sylvain Vedraine, Stéphane Biondo, Yu Chen, Kahina Laghat, Joa Ferreira, Tom Wood, Virginie Mong The Ten 72