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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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Présentation
Cellules photovoltaïques à base de matériaux nanostructurés2. Conversion Photovoltaïque
2.1 Principe de la conversion
Le rayonnement solaire incident est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet (0,2 µm) à l’infrarouge lointain (2,5 µm), avec une majorité d’entre eux dans le visible (0,4 µm, pour le violet, à 0,7 µm pour le rouge) autour d’un pic à 0,6 µm (partie verte de la figure 3). La puissance de ce rayonnement est d’environ 1 360 W/m2 hors de l’atmosphère (constante solaire) et de 1 000 W/m2 (quand le soleil est au zénith et que le ciel est dégagé) au niveau de la Terre, du fait de l’absorption dans l’atmosphère. D’après la thermodynamique, le rendement de Carnot associé à la conversion de l’énergie solaire en supposant le soleil comme source chaude (≈ 6 000 K) et la terre comme source froide (≈ 300 K) est de ≈ 85 %. L’utilisation de matériaux et concepts récents aboutissent à des valeurs très éloignée de cette limite thermodynamique, comme nous le verrons plus loin.
La conversion photovoltaïque (PV) est précisément la transformation de l’énergie de la radiation lumineuse en énergie électrique (effet photoélectrique) grâce au processus d’absorption de la lumière par le semi-conducteur (SC). Ce dernier est caractérisé par son coefficient d’absorption en fonction de la longueur d’onde et par sa largeur de bande interdite (ou gap) E G qui est l’énergie séparant le niveau du haut de la bande de valence (BV) et le niveau du bas de la bande de conduction (BC) (figure 4).
Lors de l’illumination, l’énergie des photons absorbée est transférée aux électrons des atomes du semi-conducteur. Cet apport d’énergie permet aux électrons de quitter leurs positions normales. En quittant son niveau d’énergie, l’électron négatif laisse à ce niveau une lacune électronique (h +) de charge opposée que l’on dénomme « trou ». Ainsi, schématiquement, lorsqu’un photon est absorbé, il éjecte un électron d’un niveau d’énergie de la bande de valence vers un niveau d’énergie de la bande de conduction, créant ainsi une paire électron-trou, de même énergie électrique (processus 1...
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Conversion Photovoltaïque
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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...
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ANNEXES
Cours interactifs sur la conversion photovoltaïque
http://pvcdrom.pveducation.org/
HAUT DE PAGE
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Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME)
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Agence internationale de l’énergie
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Institut de recherche et de développement de l’énergie photovoltaïque (IRDEP)
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Institut national de l’énergie solaire (INES)
-
Institut national d’électronique du solide et des systèmes (INESS)
-
Systèmes solaires, l’observateur des énergies renouvelables
-
National Energy Laboratory
-
PV Status report 2008
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