Développement, fabrication et caractérisation de modules photovoltaïques à concentration à ultra haut rendement à base de micro concentrateurs

par Arnaud Ritou

Projet de thèse en Physique appliquee

Sous la direction de Olivier Raccurt.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles (LITEN - CEA) (laboratoire) depuis le 13-11-2015 .


  • Résumé

    Depuis quelques années, l'énergie photovoltaïque (PV) est en plein essor. Les technologies de modules plans avec des cellules Silicium sont aujourd'hui matures. Le prix d'un kWh (LCOE) PV est compétitif avec les autres sources d'électricité et la durée de vie des modules est de plus de trente ans. Autour de cette technologie, qui bénéficie de 60 ans d'expérience, des solutions plus récentes sont en développement. Parmi celles-ci la concentration photovoltaïque (CPV) met en œuvre des cellules III-V multijonctions avec un rendement double. Malgré le coût très élevé de ce type de cellules, elles sont intégrées avec des optiques de concentration à bas coût. Ainsi, le prix global s'équilibre car on utilise moins de cellules dans un module. Les optiques de concentration, dans notre cas, des lentilles en silicone, doivent donc être à la fois bon marché et de bonne qualité. Dans le domaine du CPV, la tendance actuelle est à la miniaturisation les modules. Une étude bibliographique sur ces micro-concentrateurs montre que, en plus de leur courte focale qui diminue la quantité de matériaux nécessaire, leur rendement est sensiblement meilleur que celui des modules CPV de taille normale. Pour les concentrateurs à deux étages de lentilles comme le nôtre, les procédés de fabrication comportent généralement cinq étapes. La fabrication des optiques primaires (POE) et des optiques secondaires (SOE) est réalisée séparément ; Les cellules sont interconnectées et positionnées sur la face arrière du module ; les SOE sont posées une à une sur chaque cellule puis le module complet est assemblé. Dans le cadre de cette thèse, un procédé en trois étapes seulement est développé. Les POE et SOE sont moulées simultanément et un jeu de repères mécaniques dans le moule permet l'alignement automatique des différents éléments du concentrateur. Le développement de ce procédé commence par la conception optique des lentilles puis de l'étude théorique de l'impact des désalignements sur les performances du module. Les modules ensuite réalisés puis caractérisés. Pour cela, la méthode de mesure du rapport cell-to-module (CTM) est décrite en détail. Ce rapport représentant la somme des pertes introduites lors de la mise en module, il est complété par des caractérisations plus fines afin de comprendre la chaine de pertes du micro-concentrateur. Le dispositif étudié au cours de cette thèse utilise des cellules triple-jonction de 0.6x0.6mm² avec une concentration de 1000X et atteint un rendement de 29%. Le CTM est de 70% et l'analyse de la chaine de perte montre que le procédé inventé n'impacte pas ou peu les performances du module.

  • Titre traduit

    Development, manufacturing and characterization of ultra-high efficiency concentrated photovoltaic modules based on micro concentrators


  • Résumé

    Since last years, photovoltaic (PV) energy is booming. Flat silicon PV panels are now a mature technology. Thanks to a 60 years of experience, its levelized cost of energy (LCOE), in $/kWh, is competitive with other electricity sources and its lifetime is more than thirty years. Alternatively to the flat silicon technology, new PV technologies are developed. One of them is the concentrated PV (CPV) which integrates III-V multijunction cells with double-time higher efficiency. Despite the high cost of such cells, the cheap concentrating optics balance the overall cost of modules. Thus, both optics and modules structure need to be cheap and accurate. The actual trend of CPV is the micro-scaling of modules. A bibliographic study shows that shorter focal length of optics implies less material consumption in manufacturing and an enhanced efficiency. In this thesis, a double stage refractive micro-concentrator is developed, manufactured and characterized. Usually, the manufacturing process of this kind of devices needs five operations. The primary optical elements (POE) and the secondary optical elements (SOE) are manufactured separately; The cells are interconnected and positioned into the backplane of the module; The SOE are coupled one by one to each cells and finally, the complete module is assembled. Here, a three steps self-assembly process is proposed. Both POE and SOE lenses are molded simultaneously and a mechanical guidance system in the mold ensures the alignment of the micro-concentrator elements (POE, SOE and Cell). First, concentrating optics are designed and the impact of their misalignment on modules performances is studied in a ray-tracing software. Then, prototypes are manufactured and characterized. The bare cells efficiency is measured and compared with the module efficiency in the cell-to-module ratio (CTM). Because this ratio represents the overall losses in the module, further experiments are managed to improve the loss chain comprehension. The manufactured and characterized micro-concentrator is a 1000X concentrating ratio with 0.6x0.6mm² triple junction cells. It efficiency is 29% with a 70% CTM. Finally, the loss chain study reveals that the three steps self-assembly process is reliable.