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Comportement de cellules solaires sous très forte concentration

Les cellules solaires multi-jonctions à base d'éléments III-V, dont les performances n'ont cessé d'augmenter depuis la fin des années 90, permettent d'utiliser plus efficacement le spectre solaire (figure 1). Les meilleures triple-jonctions actuelles à base de GaInP/GaInAs/Ge ou GaInP/GaAs/GaInAs (réalisées en laboratoire) présentent des rendements de conversion record de l'ordre de 42% sous une concentration de 300 à 500 soleils, et les rendements atteignent ~ 39% en production de série. Néanmoins, le coût des cellules solaire triple-jonction à base de matériaux III-V est tel (50000 à 100000 $/m2) que leur utilisation dans les systèmes terrestres ne peut être envisagé qu'avec un concentrateur. La raison est que le courant délivré par la cellule est proportionnel au flux de photons reçu; en outre, tant que les pertes dues aux résistances série et l'échauffement demeurent négligeables, le rendement de conversion η de la cellule augmente avec le facteur de concentration (X) selon : η(X)=η(1)(1+KLn(X)). Ainsi, sous une concentration de 500 soleils, le coût d'une cellule triple-jonction à 40% de rendement est ramené à moins de 0,5 $/W, ce qui représente encore néanmoins 20 à 25 % du coût total d'un module CPV. Une des voies possibles pour la réduction des coûts CPV est donc l'utilisation de concentrations plus élevées (>> 1000 soleils, contre 500 soleils seulement aujourd'hui), à condition bien-sûr de maintenir les performances et les coûts de l'optique de concentration et du système de refroidissement.

Une partie importante des recherches menées à PROMES porte sur l'étude du comportement des cellules sous très haut flux solaire. Les cellules étudiées sont principalement des cellules III-V à 1, 2 ou 3 jonctions fabriquées par des laboratoires extérieurs ou de provenance commerciale. Les caractéristiques I-V sont mesurées in situ sous irradiation solaire, après avoir placé la cellule à étudier au foyer d'un miroir parabolique qui permet d'atteindre des concentrations maximales de 10000 soleils. Le flux est ajusté à la valeur souhaitée grâce à des volets orientables (cf dispositif fig. 2). Les limitations potentielles à l'utilisation de très fortes concentrations sont principalement les jonctions tunnel fortement dopées (fig. 3), l'accroissement des pertes résistives dues aux forts courants et bien-sûr l'échauffement si le système de refroidissement est insuffisamment efficace. Nos recherches actuelles portent également sur l'optimisation du design des cellules et des dispositifs de refroidissement pour les fortes concentrations (fig. 4). Elles sont en partie réalisées en collaboration avec l'IES de Montpellier et l'Institut P' de Poitiers dans le cadre du projet FORCO-PV soutenu par le programme Energie du CNRS. Un dernier volet de nos recherches, seulement en voie de développement, concerne l'étude du comportement sous ultra-haute concentration de cellules prototypes de 3ème génération en collaboration avec l'IRDEP de Chatoux.

Collaborations internationales

  • Université Ben-Gurion du Negev, Israël → Très fortes concentrations
  • Université de Lleida, Espagne → Systèmes de refroidissement
  • Université de Sherbrooke, Canada → Dissipateurs thermiques

Références

  1. A. Vossier, D. Chemisana, G. Flamant and A. Dollet, "Very high fluxes for Concentrating Photovoltaics: considerations from simple experiments and modeling", Renewable Energy (2010, soumis)
  2. E. Casenove, L. Pujol, A. Vossier, A. Perona, V. Goetz and A. Dollet, "Assessment of a Phase Change Material (PCM) System for Moderating Temperature Rise of Solar Cells under Concentrated Sunlight". 12th Int. Conf. on Modern Materials & Technologies, CIMTEC 2010: 5th Forum on New Materials, 13-18 June 2010, Montecatini Terme (Italy). Advances in Science and Technology Vol. 74 (2010) pp 205-210. Trans Tech Pub. (Switzerland).
  3. Y. Cuminal, N. Cammalleri, J.B. Rodriguez, P. Christol, A. Foucaran, A. Dollet, A. Perona, L. Pujol, "GaSb based solar cells designed for high solar concentrations", International Photovoltaic Technical Conference- Thin Film 2010, Aix en Provence (France), 27-28 May 2010
  4. A. Vossier and A. Dollet, B. Hirsch, A. Braun, E.A. Katz and J.M. Gordon, "Characterisation of triple-junction solar cells under high concentration and inhomogeneous illumination", Proc. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, pp 743-746, Hamburg (Germany), 21-25 September 2009