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janvier 2015

Amélioration des rendements des cellules photovoltaïques

Publié par Philippe GRAVISSE, Frédéric PEILLERON | N° 477 - PILES ET BATTERIES / DES MINEURS ET DES ARTS

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

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Figure n°1 : Philippe GRAVISSE Frédéric PEILLERON



justify;">Il est inutile d’exposer la théorie.

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



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Figure n°2 :


champ électrique interne à cette jonction.

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



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Figure n°3 : Fig.1 : Spectres solaires AM0 et AM1,5


par lui «cascades lumineuses» qui contient au moins quatre molécules organiques optiquement actives (MOA) adaptée cha­cune à une longueur d’onde du spectre solaire incident. Un photon frappant un centre actif MOA va être absorbé pour être réémis en répondant à la loi de Stokes.

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.

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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.



justify;">Des essais comparatifs de photo-courant ont été effectués sur modules PV/Si normaux et sur modules traités CL par LPRL. Les gains de photo-courant par modules CL sont supé­rieurs de 20% à 40%. Ces résultats ont été validés par l’École des Mines d’Alès.

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



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Figure n°5 : La double vitre génératrice de courant photovoltaïque


des autres faces du cube et ont une plus grande probabilité de rencontrer sur leur par­cours la cellule photovoltaïque placée à l’intérieur. Aucun photon n’est perdu par réflexion sur la cellule comme c’est le cas sur les cellules photovoltaïques «ordinaires».

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



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Figure n°6 :


film dichroïque (miroir). Une partie des photons s’en va sur les feuillures (en pourtour du double vitrage) organisées en cellule photovoltaïque. Toutes les fenêtres d’un bâtiment fabriquent du courant et filtrent la lumière.

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.

 

 

 

 

 

Auteur

Philippe GRAVISSE, Frédéric PEILLERON

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