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RÉSUMÉ
Cet article présente les méthodes qui reposent sur l’utilisation de nanostructures pour augmenter les performances de cellules photovoltaïques inorganiques. L’optimisation des performances optiques par des mécanismes de piégeage de lumière et d’effets plasmoniques est abordée, tout comme l’optimisation des performances électroniques, qui passe notamment par l’ingénierie des niveaux électroniques de la cellule solaire pour favoriser le transport et la collecte de charges photogénérées. Enfin, des éléments contextuels sont exposés afin de relier ces aspects technologiques avec les aspects historiques, environnementaux et économiques.
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Clément REYNAUD : PhD - Projet Celsius, Marseille, France
INTRODUCTION
L’électricité photovoltaïque est unanimement considérée comme l’un des piliers de la transition énergétique nécessaire à la mitigation du changement climatique. En France, les différents rapports de projection sur le mixte électrique possible à l’horizon 2050 font ainsi état de proportions d’électricité photovoltaïque dans la production totale d’électricité allant de 13 à 36 % contre 2,8 % en 2020. Plusieurs leviers sont disponibles pour favoriser son développement, dont deux principaux :
-
la réduction des coûts par effet d’échelle sur la production de technologies déjà matures ;
-
l’optimisation des performances des panneaux solaires qui, à production électrique constante, permettent une empreinte au sol des installations solaires plus faible, et donc des coûts financiers et environnementaux réduits.
Dans cet article, nous nous intéresserons tout particulièrement au second levier, par le biais des méthodes de conception de cellules photovoltaïques impliquant des nanostructures.
Que ce soit pour augmenter la quantité d’énergie solaire absorbée par la cellule solaire (optimisation optique) ou pour augmenter la quantité d’électricité produite à partir de la lumière absorbée (optimisation électronique), les nanostructures sont au centre de l’interaction lumière-matière qui régit les performances des dispositifs photovoltaïques.
Au-delà de ces considérations optoélectroniques, il est de plus possible de mettre à profit les propriétés des nanostructures pour d’autres usages, comme c’est le cas pour la conception de cellules photovoltaïques dites « autonettoyantes » qui permettent de limiter les coûts d’entretien habituellement nécessaires au maintien d’une production électrique optimale.
Enfin, la mise en place d’une technologie à grande échelle industrielle a des conséquences environnementales et il convient d’y être vigilant, tout particulièrement lorsque les effets sanitaires à long terme sur l’humain des nanocomposés sont encore mal connus.
L’objectif de cet article est donc d’offrir une vue d’ensemble de la problématique des nanostructures appliquées aux cellules solaires photovoltaïques inorganiques telles qu’elles existent déjà dans l’industrie ainsi que telles qu’elles sont développées en laboratoire. Cette approche technique est complétée par un contexte historique, économique et environnemental afin de proposer un éclairage plus complet de la situation.
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- Version archivée 1 de août 2010 par Abdelilah SLAOUI
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Enjeux liés à l’énergie photovoltaïque9. Glossaire
Auto-assemblage ; self-assembly
Procédé par lequel des nanostructures sont organisées spontanément grâce à des interactions physiques ou chimiques. Dans le cas de nanoparticules, il peut s’agir d’interactions moléculaires qui permettent de fixer les nanoparticules sur une surface de manière contrôlée (par exemple en monocouche).
Cellule solaire mono-jonction ; mono-junction solar cell
Cellule solaire constituée d’une seule jonction P-N à partir d’un seul matériau semi-conducteur. À l’inverse, les cellules solaires multijonctions sont constituées de plusieurs jonctions P-N et contiennent donc plusieurs matériaux semi-conducteurs.
Pérovskite ; perovskite
Cristal de formule ABX3, A et B étant des anions et X un cation, utilisé dans le cadre d’applications photovoltaïques grâce à la souplesse qu’il offre dans l’ajustement de l’énergie de gap qui dépend des éléments utilisés. Les pérovskites de formule CH3NH3PbI 3 sont parmi les plus étudiées et ont connu de fortes progressions de rendement, passant de 14 % en 2013 à 22 % en 2018.
Quantum dots ; boîtes quantiques
Nanostructures de semi-conducteur de taille typique 2-10 nm. Dans ces structures, l’interaction lumière-matière est différente de celle ayant lieu dans un volume de semi-conducteur, et les propriétés photovoltaïques s’en trouvent ajustables. Plus précisément, la faible dimension de ces structures induit un confinement des excitons (paires électron-trou liées par des forces de Coulomb) dans un rayon de l’ordre du rayon de Bohr. La conséquence est un élargissement du gap, c’est-à-dire l’augmentation de l’énergie nécessaire pour créer une paire électron-trou. Il en résulte donc que l’absorption de la lumière par le matériau semi-conducteur se fait pour des photons d’énergies supérieures, et qu’une ingénierie d’optimisation spectrale devient possible.
Reactive ion etching ; gravure ionique réactive
Souvent écrit RIE. Technique de gravure par plasma qui agit à la fois physiquement (retrait de matière par bombardement d’ions) et chimiquement (modification chimique de la surface gravée).
Solution colloïdale ; colloidal solution
Solution hétérogène contenant...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Climate Watch - Washington, D.C. - World Resources Institute. Available at : https://www.climatewatchdata.org/ghgemissions ?breakBy=sector&end_year=2018&start_year=1990 (2019).
-
(2) - ADEME - Documentation spécifique des facteurs d’émissions de la Base Carbone®. - Base Carbone Version 17, p. 398 (2019).
-
(3) - IEA - World Energy Outlook 2021. - Revised version (2021).
-
(4) - FO, F.I. & SYSTEMS - * - . – R. S. E. Photovoltaics Report (2021).
-
(5) - REYNAUD (C.A.), LECHÈNE (P.B.), HÉBERT (M.), CAZIER (A.), ARIAS (A.C.) - Evaluation of indoor photovoltaic power production under directional and diffuse lighting conditions for energy harvesting applications. - Sol. Energy Mater. Sol. Cells 200 (2019).
-
(6) - SHOCKLEY (W.), QUEISSER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Article L. 523-1 du Code de l’environnement portant sur la déclaration obligatoire de l’utilisation de nanomatériaux.
HAUT DE PAGE
Method for randomly texturing a semiconductor substrate US9941445B2
HAUT DE PAGE3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Déclaration des substances à l’état nanoparticulaire sur le site du ministère de la Transition écologique :
HAUT DE PAGE3.2 Laboratoires (France et Europe)
Fraunhofer Institute für Solar Energie (Freiburg, Allemagne) :
https://www.ise.fraunhofer.de/
Institut photovoltaïque d’Île-de-France...
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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