Vers la compréhension des mécanismes de dégradation et de vieillissement des assemblages photovoltaïques pour des applications sous haute concentration

par Loïc Mabille

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Zacharia Djebbour.


  • Résumé

    Les systèmes photovoltaïques à concentration, ou CPV, reposent sur le principe de la concentration des rayons du soleil sur une cellule photovoltaïque à très haut rendement. Le CPV reste jeune face au photovoltaïque (PV) classique qui accumule plus de 30 ans de retour d’expérience.La pérennisation de cette technologie CPV ne passera que par la démonstration d’une certaine maturité. Aussi, la question de la fiabilité de ces systèmes est plus que jamais d’actualité. Dans ce contexte, le Commissariat à L’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) a répondu à la sollicitation lancée par des fabricants de modules CPV français sur la thématique de la conception et de la fiabilisation de modules CPV par une collaboration de ses différents laboratoires, dont le Laboratoire des Modules Photovoltaïques (LMPV). C’est au sein de ce laboratoire que s’effectuent les travaux de thèse. La diversité des éléments constituant un module CPV a poussé les travaux de thèse à se concentrer sur le coeur fonctionnel des modules : les assemblages CPV. Une première partie des travaux de thèse a consisté à mettre en place les bons outils de caractérisation, en partant parfois d’une feuille blanche. La mesure de caractéristique IV dans l’obscurité, la mesure de réponse spectrale, la tomographie RX ou encore l’électroluminescence sont autant de moyens de caractérisation de cellules multi-jonctions amenés par les travaux de thèse. Les efforts conduits sur l’électroluminescence auront permis l’invention d’une nouvelle technique de caractérisation des interfaces cellule/ substrat des assemblages CPV, concrétisée par le dépôt d’un brevet. Une collaboration entre le laboratoire d’accueil et l’Institut de l’Energie Solaire (IES) à Madrid a permis l’accès à la mesure de performance des assemblages CPV sous éclairement. Tous ces moyens ont rendu possible une caractérisation fine des assemblages CPV et ont permis de s’intéresser à leur robustesse-fiabilité, deuxième partie des travaux de thèse. Deux types d’assemblages CPV ont été étudiés durant les travaux de thèse. Le premier, basé sur un substrat Direct Bonded Copper (DBC) correspond à l’état de l’art et est le plus utilisé dans l’industrie CPV. Le deuxième, en rupture technologique avec l’état de l’art, repose sur un Substrat Métal Isolé (SMI), et a été intégralement développé par le CEA et ses partenaires industriels. L’étude de la robustesse de ces assemblages CPV a été faite par l’emploi de tests de vieillissement accéléré dont la nature est justifiée par le retour d’expérience et la définition des spécifications environnementales. Aucune défaillance n’a été observé sur chacun des types d’assemblage. Les assemblages SMI se comportent comme les assemblages DBC, considérés comme références. Les travaux de thèse offrent donc un premier retour d’expérience propre au laboratoire d’accueil et la mise en place d’une infrastructure complète de caractérisation d’assemblage CPV permet aujourd’hui au CEA d’être un acteur clé du CPV en France.

  • Titre traduit

    On the understanding of failure and ageing mechanisms of photovoltaics cell-assemblies used under high concentration


  • Résumé

    Concentrating Photovoltaic (CPV) is based on the concentration of solar rays on very-high efficienciessolar cells. Multi-junction architectures used in CPV systems reach efficiency superior to44% under concentration. This has created great interest for this technology over the past decade.Nevertheless, CPV has still to be proven reliable. This work contributes to this goal.CPV assemblies -or receivers- are defined by the electrical, mechanical and thermal cohesionof a multi-junction solar cell on an appropriate substrate. The complexity of multi-junctionarchitecture does not allow their characterization with the existing PV tools. Therefore, the firstachievement of the work was the development of a complete infrastructure for the characterizationof such devices. The second part developed accelerated ageing tests and analysis methods to studythe degradation process of these assemblies.A new method for the characterization of die-attached CPV cell assembly has been provensuccessful. It is called EEL for Enhanced ElectroLuminescence. This method is cost effective andreally fast and has therefore been patented. Regarding the characterization of performance of CPVcell assembly under illumination (2nd part of the thesis), collaboration has been made with theInstituto de Energìa Solar (IES) in Madrid, Spain. Thanks to this collaboration, two types of CPVcell assemblies have been studied. One based on the Direct Bonded Copper (DBC) substrate, correspondingto the state-of-the-art and most used type of substrate in CPV industry. The other is acompletely new type of substrate, inspired by the Insulated Metal Substrate (IMS). This new IMSbased CPV cell assembly has been developed by the CEA and its industrial partners. The reliabilitystudy of these CPV cell assemblies (DBC and IMS) has been conducted through acceleratedageing tests. It has been shown that none of the DBC or IMS cell assembly present infant mortalityor failure upon ageing.This work has launched the CPV activity at INES. Results on receivers now need to be confirmedon complete CPV-modules and systems.


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