| L’industrie photovoltaïque (PV) connaît depuis quelques années une accélération des investissements de production de cellules et modules photovoltaïques. Actuellement, 95% du marché mondial est basé sur des technologies utilisant comme matériau actif le silicium cristallin (c-Si) ou multicristallin (mc-Si). Les efficacités de conversion maximales de cette classe de cellules dites de 1ère génération sont actuellement de 24.7% (c-Si) et 20.3% (mc-Si).Générer une fraction significative de la demande énergétique grâce à des cellules PV est un véritable challenge auquel nous devons répondre et qui implique de fortement augmenter le rendement de ces dernières tout en réduisant leur coût de production, le kilowattheure photovoltaïque coûtant actuellement 5 fois plus cher que celui produit par une centrale nucléaire. Pour répondre à ce challenge, de nouvelles technologies encore au stade de concept sont développées avec pour objectif d’obtenir des cellules de 3ème génération à haut rendement. Actuellement, la principale limite au rendement des cellules PV est l’inadéquation entre le spectre du rayonnement solaire incident et le spectre d’absorption de la cellule PV.
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| L’augmentation du rendement de conversion lumière/courant électrique passe donc par l’adaptation du rayonnement solaire à la sensibilité spectrale des cellules PV. Pour dépasser l’actuelle limite de rendement, trois phénomènes de conversion de fréquence communément appelés « up-conversion » (UC) ou « down-conversion » (DC) et « down-shifting » (DS) peuvent être exploités. Le mécanisme de « up-conversion » a été étudié dans des systèmes à base d’erbium trivalent. Les gains ainsi obtenus sont non-négligeables mais nécessitent une très forte concentration du flux lumineux. Par contre, une modélisation simple, montre que le gain peut atteindre 5% dans le cas de la « down-conversion ». L’utilisation plus efficace de la partie UV-visible du spectre solaire permet ainsi d’envisager une augmentation significative du rendement. Le cas du « down-shifting » est différent en ce sens qu’il ne produit pas de gain direct de la conversion photon-courant, mais permet de réduire les relaxations thermiques au sein du semi-conducteur et par conséquent en améliore le rendement final. Ce sont ces deux mécanismes que nous étudions dans notre équipe.
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| Nous développons des matériaux simultanément « convertisseurs de fréquences » et « multiplicateurs de photons » qui pourront être déposés sous forme de couches minces, à la surface des cellules solaires. Les processus physiques qui réalisent cette conversion mettent en jeu des ions luminescents et des transferts d’énergie entre ces ions.Le projet développé vise à déterminer et synthétiser des couples matrices / ions terres rares donnant lieu à une conversion multi-photonique efficace et adaptée aux cellules photovoltaïques silicium. Les travaux portent sur des oxydes dopés avec des ions tels que le praséodyme, le néodyme, l’erbium, le thulium et l’ytterbium qui sont en charge effectuer la multiplication de photons. Nous dopons également ces couches minces par d’autres ions sièges d’une forte absorption dans le domaine UV-visible (cérium, ions terres rares divalents, ions de transition). De tels processus sont étudiés à l’ILM depuis plusieurs années pour des applications de type visualisation et/ou éclairage (luminophores à haut rendement) mais restent totalement inédits dans le domaine du photovoltaïque. L’élaboration de ces matériaux se fait sous forme de couches minces par plusieurs techniques (PLD, sol-gel, CVD atmosphérique). Ces nouveaux matériaux seront mis en œuvre sur des cellules photovoltaïques afin de valider expérimentalement les effets d’amélioration de rendement de ces dernières. Enfin, on notera la versatilité du projet, qui est particulièrement intéressant pour les cellules silicium classiques, mais aussi pour toutes sortes de structures de deuxième et troisième générations. Cette thématique est considérée, à tous les niveaux, comme prioritaire et s’insère dans la politique européenne de développement durable. |
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