Micro-concentrateur photovoltaïque ultra-intégré pour applications spatiales

Highly integrated photovoltaic micro-concentrator for space applications

• Auteur / Autrice : Anderson Bermudez-Garcia
• Direction : Olivier Raccurt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : César Domínguez, Alexis Vossier, Jean-Louis Monin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Piombini, Stéphane Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites

Générateurs photovoltaïques

Mots clés libres

Concentration photovoltaïque

Optique

Applications spatiales

Physique

Tracé de rayons

Concentrator photovoltaics

Optics

Space Applications

Physics

Ray-Tracing

Résumé

L’utilisation de système photovoltaïque (PV) a permis le développement de la conquête spatial en fournissant une source d’énergie autonome aux engins spatiaux. Les exigences actuelles et futures en termes de réduction de coût, de masse et l’augmentation de performances sont les moteurs de l’innovation en matière d’énergie PV pour le spatial. L’objectif de cette thèse est d’évaluer la pertinence de la micro-concentration pour les applications spatiales par le développement d’une technologie à micro-CPV hautement intégrée utilisant des cellules solaires multi-jonctions (III-V) de surface < 1 mm². Cette technologie a le potentiel de pouvoir répondre aux besoins énergétiques tout en améliorant la puissance électrique par unité de masse (W/kg), et la densité de puissance volumétrique (W/m3) avec une gestion thermique passive et un facteur de concentration moyen inférieur à 100 soleils.Pour définir précisément les spécifications spatiales, un état de l’art avancé a été mené afin d’étudier les contraintes environnementales en fonction des différents corps célestes du système solaire et ainsi identifier les missions spatiales pertinentes pour un système micro-CPV. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l’optimisation optique d’un premier système basé sur une optique linéaire fonctionnant par réflexion totale interne intégrant des cellules multi-jonctions III-V/Si. Ces travaux ont montré les limitations intrinsèques de cette première approche. La deuxième partie porte sur une approche alternative basée sur un système micro-CPV avec une optique hautement intégrée. Cette approche utilise un système optique réfléchissant directement moulé dans une structure en nid d’abeille pour former un réseau monolithique, rigide et léger, pouvant atteindre les 150 W/kg sous flux AM0. L’objectif est de fonctionnaliser les éléments constitutifs, en utilisant l’optique comme partie du support mécanique, tout en fournissant une concentration de 30X, une efficacité optique théorique d’environ 90% et un angle d’acceptation uni-axial > 4°, et bi-axial > 2,5°. Le bilan des pertes optiques a été étudié, avec une efficacité optique comprise entre 82 et 88%. Une étude de sensibilité, pour déterminer le plan de localisation de la cellule et garantir les critères de tolérance angulaire optimum, a été réalisée avec un ratio pic sur moyenne de 4.4. Afin de valider expérimentalement cette conception, des premiers travaux ont été engagés. Des optiques ont été réalisées par moulage, et une nouvelle méthode de caractérisation a été développée et mise en œuvre afin d’estimer l’efficacité optique. Cette méthode est basée sur : (1.) la reconstruction de la topographie d’une surface optique à partir d’imagerie en microscopie optique 3D, (2.) l’utilisation d’un logiciel de tracé de rayons permettant de simuler l’efficacité optique de la surface caractérisée. Les résultats obtenus montrent une performance optique d'intégration de 87,4% pour la surface du moule et 81,2% pour l’optique moulée. Cette performance est proche de la valeur théorique issue de la conception optique et permet ainsi de valider ces étapes de fabrications. Ces travaux de recherche positionnent le laboratoire comme étant un pionnier Européen pour la micro-CPV pour les générateurs solaires spatiaux.

Concentrated PhotoVoltaics (CPV) can reduce the manufacturing cost of space solar generators by reducing the amount of expensive III-V materials. However, based on centimeter-sized cells these CPV systems cannot provide high concentration factors and efficiencies with large angular tolerances while having a compact and lightweight system. In this thesis, we focus on the development of a highly integrated micro-concentration technology using solar cells with a surface area of less than 1 mm². This technology has the potential to meet energy needs while improving electrical power per unit mass (W/kg), and volumetric power density (W/m3) with passive thermal management and an average concentration factor of less than 100 suns. To precisely define the spatial specifications, an advanced state of the art was conducted to define the environmental constraints according to the different celestial bodies of the solar system. Then, the work consisted in optimizing a linear optical system working by total internal reflection, by integrating III-V multi-junction cells on silicon, with an optical optimization by ray-tracing. Based on the understanding of the issues addressed during these developments, a micro-CPV system with highly integrated optics has been patented. This approach uses a reflective optical system directly molded in a honeycomb structure to form a monolithic, rigid and light-weight grating that can reach 150 W/kg under AM0 flux. The objective is to functionalize the constituent elements, using the optics as part of the mechanical support, while providing a PV concentration of 30X, a theoretical optical efficiency of about 90% and an acceptance angle uni-axial >4°, and bi-axial >2.5°. The optical loss budget was investigated, with an optical efficiency between 82 and 88%. A sensitivity study, to determine the cell location plane and guarantee the optimum angular tolerance criteria, was performed with a peak-to-average ratio of 4.4. Then, optics were molded, and a new optical efficiency estimation method was developed and implemented. This method reconstructs the topography of an optical surface by combining optical microscopy and ray-tracing. An integration quality of 87.4% and 81.2% was achieved for a molding unit and a molded optic, respectively. This research work positions the laboratory as a European pioneer for PV micro-concentration for space solar generators.