Compréhension des comportements électrique et optique des modules photovoltaïques à haute concentration, et développement d’outils de caractérisations adaptés

par Pierre Besson

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser

Sous la direction de Mustapha Lemiti.

Soutenue le 04-02-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Jourlin.

Le jury était composé de Mustapha Lemiti, Yves Jourlin, Alain Dollet, Anne Kaminski-Cachopo, Cesar Dominguez dominguez, Alexis Vossier.

Les rapporteurs étaient Alain Dollet, Anne Kaminski-Cachopo.


  • Résumé

    Le travail de thèse effectué a pour objectif d'amener vers une meilleure compréhension des comportements électrique et optique des modules CPV, dans des conditions environnantes variables. La première partie est consacrée à l’étude de la performance des modules en conditions réelles de fonctionnement. Quatre technologies de module, toutes équipées de cellules triple-jonctions, mais de concentrateurs optiques différents, ont été testées en extérieur sur des périodes de un mois à deux ans. Les résultats montrent que la sensibilité à la température de lentille, la température de cellule et au spectre incident varie selon le type d'architecture optique. La sensibilité la plus importante à la température de lentille a été obtenue pour un dispositif sans optique secondaire. Le coefficient en température de la tension Voc a été calculé et varie entre les technologies. Enfin, les variations importantes de facteur de forme avec le spectre incident observées pour une technologie, mettent en évidence la nécessité d'étudier les phénomènes de non-uniformités d'irradiance sur la cellule. Dans une deuxième partie, le développement d’un banc de test en intérieur permettant de mesurer les performances électriques et optiques est présenté. Ce banc a pour objectif de permettre la reproduction des conditions réelles de fonctionnement des modules de façon contrôlée en intérieur. Un système d’imagerie est utilisé pour déterminer la distribution spatiale et spectrale d’irradiance sur la cellule. Associé à un traceur de courbes IV, il vise à caractériser les effets de flux non-uniformes sur la cellule. Le banc de mesure a pour avantage de découpler les paramètres d’études, telles que la température de la lentille et la température de la cellule, et permet ainsi de décorréler leurs effets respectifs sur l'ensemble optique-cellule, ce qui n’est que difficilement possible sur des mesures en extérieur. Le procédé de calibration et la validation du dispositif sont détaillés dans le manuscrit. Enfin, dans une dernière partie, le banc développé est utilisé pour caractériser trois différents dispositifs CPV : un sans optique secondaire, et deux avec des optiques secondaires différentes. Les impacts de la distance lentille-cellule et de la température de lentille sur les performances de la cellule sont quantifiés optiquement et électriquement. Les résultats montrent comment ces paramètres modifient la distribution de densités de courant des sous-cellules, et donc le comportement électrique du dispositif. Ils soulignent plus spécifiquement comment les non-uniformités spectrales et spatiales affectent les performances de la cellule pour les différents concentrateurs. Le dispositif sans optique secondaire montre une sensibilité importante à la température de la lentille et la distance optique primaire-cellule, qui se traduit par une perte de production d'énergie dans des conditions réelles de fonctionnement.

  • Titre traduit

    Understanding of optical and electrical behaviours of high concentration photovoltaic modules, and development of adapted characterization techniques


  • Résumé

    The goal of this doctoral thesis is to bring answers to a better understanding of the electrical and optical behavior of CPV modules, under different operating conditions. In the first part, a study on module performance under real conditions is presented. Using an outdoor automated test bench, the sensitivity of four different CPV module technologies to most operating conditions relevant to CPV systems has been studied, namely DNI, spectrum, cell and lens temperature and clearness of the sky. In order to isolate the influence of a single operation parameter, the analysis of outdoor monitoring data from one month to two years is performed. The results show how the optical design influences the sensitivity of the electrical parameters to the mentionned operating conditions. The effect of lens temperature on cell current has been found to be maximum for the CPV module without Secondary Optical Element. Also the $V_{oc}$ thermal coefficient was found to vary between module technologies. Finally, the important variations of the fill factor for one technology underlines the need of studying non-uniformities effects on the cell performance. According to the results observed outdoors, an indoor tool was developed in order to uncorrelate outdoor parameters. A test bench that measures multi-spectral irradiance profiles, through CMOS imaging and bandpass filters in conjunction with electrical $IV$ curves, is used as a mean to visualize and characterize the effects of chromatic aberrations and nonuniform flux profiles under controllable testing conditions. The bench allows decoupling the temperatures of the Primary Optical Element and cell allowing the analyze of their respective effects on optical and electrical performance. In varying the temperature of the Primary Optical Element, the effects on electrical efficiency, focal distance, spectral sensitivity, acceptance angle, or multi-junction current matching profiles can be quantified. Calibration procedures and validation process are detailed. Finally, the developed testbench is used for analyzing the behvaior of three different CPV devices : one without Secondary Optical Element, and two with different Secondary Optical Elements. The impacts of cell position and lens temperature on the cell performance are quantified optically and electrically. The results show how these parameters modify the current density distribution of the subcells, and hence the electrical behavior of the device. They underline more specifically how spectral and spatial non-uniformities affect the cell performance for the different devices. The device without SOE shows a strong sensitivity to lens temperature and POE-cell distance, that will correspond to a decrease of energy production under real conditions of operation.


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