Article de référence | Réf : NM5200 v2

Enjeux liés à l’énergie photovoltaïque
Nanostructures pour cellules photovoltaïques inorganiques

Auteur(s) : Clément REYNAUD

Relu et validé le 23 nov. 2023

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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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ABSTRACT

Nanostructures for inorganic photovoltaic cells

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)

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

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-nm5200

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1. Enjeux liés à l’énergie photovoltaïque

Initialement développés dans un contexte de conquête spatiale ou à des fins militaires, les dispositifs photovoltaïques sont passés en quelques décennies de petits générateurs électriques d’appoint à des moyens de production d’électricité massifs. Historiquement, la première raison fut purement stratégique : dans des régions où les réseaux électriques sont instables, de petites centrales photovoltaïques couplées à des moyens de stockage permettent une plus grande indépendance énergétique et rendent plus résilients aux coupures d’électricité. Depuis le milieu des années 2000, une deuxième raison s’impose : l’impératif de produire une électricité peu carbonée pour mitiger le changement climatique.

En effet, en 2018, 73 % des gaz à effet de serre émis par les activités humaines provenaient de la production et de l’utilisation de l’énergie  (figure 1).

L’empreinte carbone de la production d’électricité photovoltaïque sur l’intégralité de son cycle de vie (de sa fabrication à son recyclage) est de l’ordre de 50 gCO2e/kWh  en France. L’empreinte carbone globale du mixte électrique mondial étant de 459 gCO2e/kWh , il est clair qu’une plus forte pénétration d’électricité photovoltaïque dans la production mondiale contribuera à réduire significativement l’impact des activités humaines sur le climat.

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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...

1 Réglementation

Article L. 523-1 du Code de l’environnement portant sur la déclaration obligatoire de l’utilisation de nanomatériaux.

HAUT DE PAGE

2 Brevets

Method for randomly texturing a semiconductor substrate US9941445B2

HAUT DE PAGE

3 Annuaire

HAUT DE PAGE

3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

Déclaration des substances à l’état nanoparticulaire sur le site du ministère de la Transition écologique :

http://www.r-nano.fr

HAUT DE PAGE

3.2 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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