Stratégies avancées pour des systèmes photovoltaïques ultra-performants

Advanced strategies for ultra-high PV efficiency

• Auteur / Autrice : Joya Zeitouny
• Direction : Alain Dollet, Alexis Vossier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l’ingénieur. Énergétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Abdelilah Slaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelilah Slaoui, Jean-François Guillemoles, Rodolphe Vaillon, Carlos Algora, Stéphanie Parola, Philippe Voarino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Guillemoles, Rodolphe Vaillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Stockage

Énergie solaire

Conversion photovoltaïque

Photopiles

Mots clés libres

Photovoltaïque concentré (CPV)

Concentration solaire

Cellules solaires multi-jonctions

Confinement angulaire

Limite radiative

Systèmes hybrides PV/CSP

Pertes résistives

Rendement de fluorescence externe (ERE)

Haute température

Concentrated photovoltaic (CPV)

Solar concentration

Multi-junction solar cells

Angular confinement

Radiative limit

Resistive losses

External radiative efficiency (ERE)

High temperature

Hybrid PV/CSP systems

Résumé

La limite théorique de rendement des cellules photovoltaïques simple-jonction est de l’ordre de 33% d’après le modèle de Shockley-Queisser, ce qui reste éloigné de la limite de Carnot, prédisant une limite maximale de conversion énergie solaire → électricité de 93%. L’écart important entre ces deux limites découle des pertes intrinsèques, essentiellement liées à la conversion inefficace du spectre solaire et à la disparité entre les angles solides d’absorption et d’émission. Pour surmonter ces pertes et se rapprocher de la limite de Carnot, trois stratégies sont envisagées dans cette thèse : les cellules multi-jonction àconcentration, la combinaison de la concentration et de la restriction angulaire et les systèmes hybrides PV/CSP. Chacune de ces stratégies est limitée par des mécanismes qui dégradent leur performance.L’objectif de cette thèse est donc de comprendre dans quelle mesure les différents mécanismes limitants sont susceptibles d’affecter les performances des différentes stratégies étudiées, et d’optimiser l’architecture des cellules dans le but d’accroitre leur efficacité de conversion. Dans ce but, un modèle détaillé de cellule solaire tenant compte des principaux mécanismes limitant a été développé. Un outil d’optimisation par algorithme génétique a également été mis au point, afin d’explorer l’espace des différents paramètres étudiés pour identifier les conditions d’opération optimales. Nous démontrons l’importance majeure que revêt l’adaptation des propriétés optoélectroniques des matériaux utilisés aux conditions opératoires, que ce soit dans le cas des cellules solaires à concentration endurant des pertes résistives significatives, ou encore dans le cas de cellules solaires fonctionnant à des niveaux de températures très supérieurs à l’ambiante. Enfin, nous avons déterminé l’effet des principaux facteurs limitant que constituent les pertes résistives et les recombinaisons non-radiatives sur les cellules solairessimultanément soumises au flux solaire concentré et à la restriction angulaire du rayonnement émis.

The maximum efficiency limit attainable with a single-junction PV cell is ~ 33% according to the detailed balance formalism (also known as Shockley-Queisser model), which remains far from the Carnot limit, predicting a solar to electricity efficiency upper value of 93%. The large gap between both limits is due to intrinsic loss mechanisms, including the inefficient conversion of the solar spectrum and the large discrepancy between the solid angles of absorption and emission. To overcome these losses and get closer to the Carnot limit, three different strategies are considered in this thesis: concentrated multi-junction solarcells, the combination of solar concentration and angular confinement, and hybrid PV/CSP systems. Each strategy is inherently limited by several loss mechanisms that degrade their performances. The objective of this thesis is, hence, to better understand the extent to which these strategies are likely to be penalized by these losses, and to tailor the cell properties toward maximizing their efficiencies. To address these questions, a detailed-balance model of PV cell accounting for the main loss mechanisms was developed. A genetic-algorithm optimization tool was also implemented, aiming at exploring the parameter space and identifying the optimal operation conditions. We demonstrate the uttermost importance of tailoring the electronic properties of the materials used with both multi-junction solar cells undergoing significant series resistance losses, and PV cells operating at temperature levels exceeding ambient temperature. We also investigate the extent to which series resistances losses and non-radiative recombination are likely to affect the ability of PV cells simultaneously submitted to concentrated sunlight and angular restriction of the light emitted by band-to-band recombination.