Amélioration des rendements des cellules photovoltaïques
Philippe GRAVISSE
Président de LPRL
Frédéric PEILLERON
Directeur général de CASCADE
Philippe Gravisse et son équipe innovent dans le photovoltaïque depuis plus de 30 ans. Ils ont créé le laboratoire LPRL spécialisé dans le développement des matériaux optiquement actifs, puis une unité pilote d’encapsulation de modules et systèmes photovoltaïques dans les années 1980.
Un certain manque d’intérêt des grands acteurs industriels et des investisseurs l’ont amené ensuite à adapter sa technologie pour d’autres applications telles que les matériaux furtifs (peinture anti radar) et marquage fiduciaire jusqu’au moment où les esprits préoccupés par l’effet de serre ont remis au goût du jour les énergies renouvelables, et notamment, le photovoltaïque.
Pour industrialiser ses technologies améliorant les rendements photovoltaïques et la photosynthèse des plantes (films pour serres agricoles), LPRL a récemment créé la start up CASCADE.
L’effet photovoltaïque
Figure n°1 : Philippe GRAVISSE Frédéric PEILLERON
W. G. Adams et R. E. Day découvrent l’effet photovoltaïque du sélénium en 1877. Et Einstein trouve en 1911 que l’énergie W d’un photon est le produit de la constante de Planck «h» par la fréquence N de sa lumière W=h*N
Une cellule photovoltaïque est un semi-conducteur, silicium par exemple, dopé et d’épaisseur 200-300µm comportant deux zones dopées N et P formant ainsi une jonction. Au niveau de la jonction se forme un champ électrique (zone de déplétion).
Cette lame de Si est dopée par diffusion par un élément IIIA (bore par ex) du côté P et par un élément VA (phosphore par ex) pour le côté N.
Lorsqu‘un photon est supérieur à l’énergie du gap, il crée une paire électron trou donc une accumulation d’e- du côté N de la jonction et des trous du côté P de la jonction. Ces charges sont séparées par la présence du
Figure n°2 :
Deux cas se présentent :
- Si aucune charge aux bornes de la cellule, on est en présence d’une diode polarisée en direct et les paires e- trou sont recombinées au sein du semi-conducteur.
- Si on a une charge externe, on génère un courant électrique en drainant les e- sur l’électrode située sur le côté N et donc les trous sur l’autre électrode de la cellule.
Comment LPRL améliore les rendements des cellules photovoltaïques grâce aux cascades lumineuses
Le problème du faible rendement des cellules photovoltaïques vient du fait que les photons qui ont le plus d’énergie sont dans l’ultra violet et le bleu alors que le silicium est beaucoup sensible dans l’infra rouge comme le montre la figure 1.
Le procédé d’amélioration de LPRL consiste à coller sur la cellule photovoltaïque du côté N une matrice appelé
Figure n°3 : Fig.1 : Spectres solaires AM0 et AM1,5
Ainsi, en utilisant un état excité singulet d’une substance active (MOA), on peut déplacer le pic d’émission vers les plus grandes longueurs d’onde et ainsi s’approcher du pic de réponse spectrale optimale des photopiles silicium placée dans l’infra rouge.
Bien entendu à chaque choc du photon contre une molécule organique optiquement active, il y a émission d’un autre photon de longueur d’onde plus grande et d’énergie plus faible mais au total l’énergie transformée dans l’infra rouge est beaucoup plus grande promettant en moyenne une amélioration de rendement de 20% (Fig. 2).
Ce principe appelé cascades lumineuses, est utilisé dans les brevets ENR de LPRL.
Figure n°4 : Figure 2 : A transforme l’UV dans le bleu puis B transforme le bleu dans le vert etc. + Cellules pouvant être mise dos à dos + Fig. 3 : Courbe de Transmittance et de Réflectance d'un verre traité dichroïque associé à une cascade lumineuse photovoltaïque.
Comment améliorer encore davantage le rendement : le cube, la tour solaire
Plaçons la matrice d’encapsulation d’un module photovoltaïque dans un cube constitué de plaques de verre dichroïque ou de PMMA transparent.
L’une des faces du cube exposée au soleil est traitée «matrice cascade lumineuse». Les autres faces sont des miroirs dichroïques qui laissent passer le visible et l’IR proche et réfléchissent les autres.
Les photons incidents traversent «la matrice cascade lumineuse» et entrent dans le cube avec une plus grande longueur d’onde proche de l’IR. Ils sont réfléchis à l’intérieur du cube par les verres dichroïques
Figure n°5 : La double vitre génératrice de courant photovoltaïque
Le rendement d’une cellule photovoltaïque classique ainsi placée dans le cube aménagé «matrice-verre dichroïque» peut-être alors multiplié par deux, à surface de Silicium égale.
Il est possible d’empiler N de ces cubes, multipliant ainsi par N l’énergie produite par m2 d’occupation de sol (COS) : c’est la tour solaire.
La fenêtre double vitrage génératrice de courant
Il est possible d’équiper une fenêtre ou un mur rideau qui forme double vitrage.
La vitre, côté du soleil, est recouverte du film contenant les molécules optiquement actives.
L’autre vitre est recouverte d’un
Figure n°6 :
Conclusion
Le potentiel de LPRL dans le domaine du rayonnement de la lumière est important car les films imprégnés de molécules optiquement actives (brevets) renforcent l’énergie lumineuse reçue dans l’infrarouge par les cellules photovoltaïques ou par les plantes (cet infrarouge où les premières sont plus efficaces et où les secondes font la photosynthèse la plus grande, d’où les films agricoles en développement).
Sa filiale Cascade est destinée à valoriser ce potentiel en attirant les investisseurs et en établissant des partenariats avec les centres de recherche, les centres d’innovation et les industriels concernés. ■
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