Vers un module photovoltaïque à concentration ultra-intégré : développement du concept et des moyens de caractérisations associés

par Clément Weick

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Aurélie Tauzin.

Le président du jury était Anne Kaminski-Cachopo.

Le jury était composé de Frank Dimroth, Maxime Darnon, Mathieu Baudrit, Pablo Garcia-Linares.

Les rapporteurs étaient Alain Dollet, Mustapha Lemiti.


  • Résumé

    Le travail de thèse effectué a pour objectif le développement d’un concept innovant de module photovoltaïque à faible concentration ultra-intégré, nommé HIRL pour Highly Integrated ReceiverLess module.Un premier Chapitre est consacré à la présentation du photovoltaïque à concentration (CPV) afin de positionner ce développement d’un concept original innovant. Le module développé est basé sur des concentrateurs réflectifs cylindro-paraboliques et il intègre des cellules multi-jonctions haut rendement. L’ambition est de travailler sur la simplification de la mise en module des cellules, en proposant d’une part, une architecture ultra-intégrée. L’optique de concentration en aluminium est multifonction puisqu’elle combine les fonctions de concentrateur, de support des cellules et de dissipateur thermique. D’autre part nous souhaitons appliquer pour ce concept des procédés de fabrication simples et éprouvés issus de l’industrie du photovoltaïque, tels que l’encapsulation par lamination. Enfin le module doit offrir une acceptance angulaire suffisante (> ±1°) pour utiliser un tracker un axe bas coût.Dans un second Chapitre, après avoir défini l’architecture de module envisagée, la modélisation thermique du système est présentée. Une étude a permis de définir les dimensions optimisées du concentrateur vis-à-vis de son rôle de dissipateur thermique. Ensuite, nous avons pu explorer les procédés de mise en forme des optiques mais également les méthodes d’interconnexion des cellules. Nous avons également mis en œuvre le procédé de lamination pour l’encapsulation des cellules multi-jonctions et démontrer la faisabilité de ce procédé pour le concept HIRL. Les procédés de fabrication identifiés ont été mis en œuvre pour la fabrication d’un prototype atteignant une efficacité électrique de 28%. La mesure de l’acceptance angulaire, de ±0.55°, a cependant montré les limites de ce premier design.Le troisième Chapitre est donc consacré à l’optimisation de l’architecture et des procédés au regard des résultats du Chapitre 2. Nous avons pu montrer comment modifier le design pour augmenter l’acceptance angulaire du module en conservant une bonne dissipation thermique. Enfin, de nouveaux procédés ont été mis en œuvre pour la réalisation d’un nouveau prototype fabriqué selon ce nouveau design et intégrant des cellules multi-jonctions optimisées pour la faible concentration. Ce nouveau prototype V3 présente un rendement de 30,5% et un angle d’acceptance de +/-1.4°.Dans le quatrième Chapitre, nous nous sommes attachés à caractériser les performances optiques des concentrateurs réalisés. Un banc de caractérisation optique a spécialement été développé pour ce type de module. Il a permis la comparaison des rendements optiques des différents concentrateurs, associés à leur procédé de mise en forme, ainsi que la comparaison de leur acceptance angulaire. Enfin, nous avons pu constater les effets de l’échauffement du concentrateur - du fait de son rôle de dissipateur thermique – sur les performances optiques.Enfin, dans un dernier Chapitre, une analyse de la chaine de pertes de la cellule au module est présentée. La caractérisation optiques du revêtement réflectif mais également des matériaux d’encapsulation des cellules ont été réalisés. En combinant ces résultats avec la mesure de réponse spectrale des cellules, nous avons pu calculer les performances optiques théoriques maximales atteignables par le module avec ces matériaux. Les moyens de caractérisations en simulateur solaire ont été adaptés afin de permettre la mesure de rendement de la cellule au module. Ces caractérisations ont permis de dresser un bilan de la distribution des pertes de puissance de la cellule au module. Ainsi, nous avons pu identifier les voies d’optimisation de ce module HIRL qui pourrait atteindre une efficacité électrique de 33%.

  • Titre traduit

    Toward a highly-integrated concentrated module : development of the concept and the associated characterization means


  • Résumé

    The aim of the work presented in this thesis is to develop an innovative low-concentration photovoltaic (PV) module with a high level of integration, a “Highly Integrated ReceiverLess” module named “HIRL”.The concentrated photovoltaic (CPV) technology is presented in the first Chapter with the aim to position the development of this novel concept. The developed module is based on a parabolic-trough concentrator and on the integration of high-efficiency multi-junction solar cells. The idea is to simplify the cell integration in the module via an optimized architecture. The innovation is the multi-functionality of the concentrator mirror acting as primary optical element (POE), which, in addition to having an optical function, becomes both the mechanical support of the cell arrays and the heat sink responsible of the cell cooling. Moreover, this concept relies on well-known, high-throughput, reliable and cost-effective flat-plate PV manufacturing techniques, such as lamination, for the cell array assembly into the rear of the POE. Finally the module is developed to reach an angular acceptance compatible with low cost one axis trackers (> ±1°).The thermal modeling of the module is presented in the second Chapter. This model is used to define the mirror dimensions that guarantee an optimized thermal cooling within the mirror element. Then, we have studied and tested different fabrication processes for the optics forming and cells interconnection. Moreover the feasibility of the lamination process for multi-junction cells encapsulation has been demonstrated for the HIRL concept. The application of the identified processes for prototype fabrication has allowed to fabricate a module reaching an electrical efficiency of 28%. However, the measured acceptance angle is of ±0.55°. It has shown that this design cannot reach the expected acceptance angle value.Based on Chapter 2 results, the architecture and fabrication processes are optimized in the third Chapter. The design has been modified with the aim to increase the angular acceptance while maintaining a sufficient thermal cooling. Moreover, new fabrication processes have been applied on a new prototype which integrates multi-junction cells optimized for low concentration. This new prototype reached 30.5% electrical efficiency and a ±1.4° acceptance angle compatible with low cost one axis tracker.In the Chapter 4, an optical characterization bench has been developed to compare the optical performances of the different optical concentrators fabricated. It allowed to compare the optical efficiency and the angular acceptance of these optical elements, related to different mirror forming techniques. Moreover, the capability of controlling the mirror temperature is also implemented to study thermal effects on the optical performances. It is shown that the mirror heating decreases significantly the acceptance angle of the module.Finally, in the fifth Chapter, an advanced characterization of the power loss mechanisms is presented, from the cell to the module. We calculated the maximum theoretical reachable cell to module ratio for the considered cell and materials based on experimental spectral response and mirror reflectivity measurements. Furthermore a solar simulator has been adapted for cell and module IV measurements to quantify total cell-to-module losses. These characterizations allowed to define the different power loss sources from the cell to the module. The optimization of mirror reflectivity and concentrator forming could increase the electrical efficiency to 33%.


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