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RÉSUMÉ
Le développement industriel de la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire comme source d'énergie électrique exige à la fois une réduction du coût du kWh produit et une augmentation substantielle du rendement de conversion des modules photovoltaïques actuels. Plusieurs nouveaux concepts et architectures de cellules solaires impliquant des matériaux nano-structurées sont potentiellement susceptibles d'atteindre cet objectif. Dans cet article, sont rappelés les facteurs limitant le rendement de conversion d'une cellule photovoltaïque. Sont passées ensuite en revue les différentes structures impliquant des nanomatériaux inorganiques pour réaliser des photopiles à très haut rendement. En particulier, les structures impliquant des puits quantiques pour l'augmentation de l'absorption des photons et la séparation des charges sont décrites, ainsi que les structures tandem ou à bande métallique utilisant des boîtes quantiques. Sont également évoquées les cellules à conversion de photons qui emploient des nanomatériaux pour modifier le spectre solaire avant son interaction avec la cellule absorbante.
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The industrial development of the photovoltaic conversion of solar energy as a source of electric energy requires a reduction in the cost of the kWh produced and a substantial increase in the conversion efficiency of existing photovoltaic modules. Several new concepts and architectures of solar cells involving nanostructured materials may achieve this objective. This article recalls the factors limiting the conversion efficiency of a photovoltaic cell. The various structures involving inorganic nanomaterials in order to obtain highly efficient photovoltaic cells are then reviewed. In particular, structures involving quantum wells to increase photon absorption and charge separation are described, as well as tandem or metal strip structures using quantum dots. Photon conversion cells using nanomaterials in order to modify the solar spectrum prior to its interaction with the absorbent cell are also dealt with.
Auteur(s)
-
Abdelilah SLAOUI : Directeur de recherche CNRS, responsable de l’équipe « Matériaux et concepts pour le photovoltaïque » à InESS-CNRS-UdS Strasbourg
INTRODUCTION
Le développement industriel de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire comme source d’énergie électrique exige à la fois une réduction du cout du kilowattheure produit et une augmentation substantielle du rendement de conversion des modules photovoltaïques actuels. Plusieurs nouveaux concepts et architectures de cellules solaires impliquant des matériaux nanostructurées sont potentiellement susceptibles d’atteindre un tel objectif.
Dans cet article, nous rappellerons les facteurs limitant le rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque. Nous passerons ensuite en revue les différentes structures impliquant des nanomatériaux inorganiques pour réaliser des photopiles à très haut rendement. En particulier, nous décrirons les structures impliquant des puits quantiques pour l’augmentation de l’absorption des photons et la séparation des charges, et également les structures tandem ou à bande métallique qui utilisent des boîtes quantiques. Enfin, nous évoquerons les cellules à conversion de photons qui emploient des nanomatériaux pour modifier le spectre solaire avant son interaction avec la cellule absorbante.
Photovoltaic technology holds the promise of an almost inexhaustible energy source with minimal environmental impact. Significant reductions in the cost of PV-produced power are required to realize this potential. This can be accomplished through a significant increase of conversion efficiency at cell level and nanostructured inorganic structures can potentially meet this challenge.
Here, limiting factors of high efficiencies in single junction solar cells are first recalled. Then, approaches with potential in the short and long term focus on using nanostructured materials to enhance performance of solar cells are presented, such as multijunction cells based on arrays of Si nanoparticles, Virtual band gap solar cells for conversion of low energy photons through the use of quantum wells or dots, exciton multigeneration cells that uses quantum dots. Potential and limits of the different concepts and cell design will be presented.
Cellule photovoltaïque, puits quantiques, boites quantiques, absorption, rendement de conversion
Solar cells, quantum wells, quantum dots, absorption, conversion efficiency
Table analytique
La thématique
-
énergies ;
-
matériaux ;
-
sciences fondamentales.
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Conclusion3. Cellules photovoltaïques à base de matériaux nanostructurés
3.1 Cellules à multi-jonction (MJC) ou tandem
Le principe de la cellule solaire à multi-jonction (ou tandem) est l’empilement de plusieurs cellules de gaps décroissants, chacune optimisée pour une partie différente du spectre solaire. Le plus haut rendement expérimentalement obtenu avec cette approche a été réalisé avec des monocristaux en semi-conducteurs III-V (combinant un élément de la colonne IIIb et un de la colonne Vb de la classification périodique). La croissance monolithique de l’empilement est effectuée par des procédés d’hétéro-épitaxie, consistant en une reproduction de la structure cristalline et du paramètre de maille lors de la croissance, même en changeant de matériau. En utilisant par exemple une triple jonction en GaIn/GaIns/Ge obtenue par épitaxie à jet moléculaire, il a été possible d’atteindre un rendement supérieur à 40 % sous une concentration de 240 soleils, avec un potentiel vers 50 % en cas de maîtrise parfaite de la croissance et adaptation des courants de sortie des cellules connectées en série. Cependant, compte tenu de leur coût de fabrication lié essentiellement au type de matériaux (semi-conducteur III-V) et des méthodes (MBE…), ces cellules ne sont attractives économiquement que dans le cas d'une u tilisation sous concentration.
Ce concept devrait pouvoir être étendu à des systèmes moins chers et/ou plus exploratoires. L’approche la plus pertinente pourrait être la cellule tandem à base de silicium nanocristallin pour tirer avantage du confinement quantique (figure 7 a). L’ingénierie de la bande interdite peut se faire en utilisant des puits quantiques (QW) ou des boîtes quantiques (QD) en silicium de différentes dimensions insérés dans des couches de diélectriques tels que SiO2, SiN ou SiC. Le concept exploite la variation de la bande interdite du semi-conducteur en fonction des dimensions de l'objet du fait du confinement quantique. Pour des QW ou QD très rapprochés, une vraie minibande énergétique est formée créant effectivement un matériau à plus grand gap. Par exemple, pour des QD de 2 nm (QW de 1 nm), un gap effectif de 1,7 eV peut être obtenu, idéal pour une cellule tandem sur silicium.
Les avantages évidents sont de ne pas utiliser de produits rares ni de produits toxiques, d’employer les technologies de la microélectronique...
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Cellules photovoltaïques à base de matériaux nanostructurés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DELACHAT (F.), SLAOUI (A.) et al - * - . – Nanotechnology 20, pp. 275608 (2009).
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(2) - MURPHY (J.E.) et al - * - . – J. Am. Chem. Soc. 128 (10), p. 3241 (2006).
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(3) - SERINCAN (U.) - Formation of semiconductor nanocrystals in SiO2 by ion implantation - Thèse, Middle East Technical University, Ankara, Turquie (2004).
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(4) - GREEN (M.A.) - * - . – High Efficiency Silicon Solar Cells, Trans Tech Publications ed. (1987).
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(5) - GREEN (M.A.) - Third Generation Photovoltaics : Advanced Solar Energy Conversion - Springer Science+Business Media, ISBN 3540401377 (2003).
-
(6) - UNSW School for Photovoltaic Engineering - Third Generation Photovoltaics - Retrieved on 2008-06-20.
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Institut national d’électronique du solide et des systèmes (INESS)
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Systèmes solaires, l’observateur des énergies renouvelables
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National Energy Laboratory
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PV Status report 2008
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