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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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This article presents methods that rely on the use of nanostructures to increase the performance of inorganic photovoltaic solar cells. The optimization of optical performance by light trapping mechanisms and plasmonic effects is discussed, as well as the optimization of electronic performance, which includes the engineering of the electronic levels of the solar cell to enhance the transport and collection of photogenerated charges. Finally, contextual elements are presented in order to link these technological aspects with historical, environmental and economic aspects.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
photovoltaic | energy | nanostructures | light trapping
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2010 par Abdelilah SLAOUI
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Nanostructures pour augmenter les performances électroniques3. Nanostructures pour augmenter l’absorption de la lumière
3.1 Piégeage de lumière
La méthode la plus couramment employée pour augmenter les performances d’une cellule solaire consiste à diminuer la quantité de lumière qu'elle réfléchit. Ceci se retrouve industriellement à l’échelle micrométrique, avec la texturation du silicium en pyramides de tailles typiques 3-10 µm qui permettent de favoriser les angles d’incidence avec lesquels la lumière n’est pas réfléchie sur la surface, ainsi que d’augmenter le nombre de réflexions dans la structure, ce qui augmente la quantité de lumière qui pénètre dans le matériau . Ces structures sont obtenues par méthode de reactive-ion etching, c’est-à-dire par bombardement d’ions qui cassent la structure cristalline dans la direction de l’orientation du cristal et permettent donc d’obtenir des structures très régulières (figure 3).
À l’échelle industrielle, ces microstructures sont couplées avec des nanostructures sous la forme de couches minces anti-réfléchissantes afin d’optimiser l’absorption de lumière dans l’infrarouge (figure 4). Ces dépôts de couches minces font entre 50 et 250 nm d’épaisseur selon la zone spectrale pour laquelle elles diminuent la réflexion, et sont faites à partir d’oxydes métalliques comme Al2O3 ou TiO2 ou ZnO . Cette méthode peut être employée aussi bien sur des cellules solaires en silicium mono- ou polycristallin que sur des cellules...
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Nanostructures pour augmenter l’absorption de la lumière
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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