cellules photovoltaïques bio-inspirées

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Anne-Laure Joudrier 1 , Sophie Cassaignon 2 , Serge Berthier 3 , Jean-François Guillemoles 1 1 IPVF – Institut Photovoltaïque d’Ile de France UMR 9006– 18 Bd Thomas Gobert – 91120 Palaiseau 2 Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris UMR 7574 – Sorbonne Université – 4 Place Jussieu – 75005 Paris 3 Institut des NanoSciences de Paris UMR 7588 – Université de Paris – 2 Place Jussieu – 75005 Paris e -mail : [email protected] Cellules photovoltaïques bio-inspirées 16 ème Colloque Ile de Science Paris-Saclay « Innovation bio-inspirée » - 2021

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Page 1: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

Anne-Laure Joudrier1, Sophie Cassaignon2, Serge

Berthier3, Jean-François Guillemoles1

1 IPVF – Institut Photovoltaïque d’Ile de France UMR 9006– 18 Bd Thomas Gobert –

91120 Palaiseau2 Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris UMR 7574 – Sorbonne

Université – 4 Place Jussieu – 75005 Paris3 Institut des NanoSciences de Paris UMR 7588 – Université de Paris – 2 Place Jussieu

– 75005 Paris

e-mail : [email protected]

Cellules photovoltaïques

bio-inspirées

16ème Colloque Ile de Science Paris-Saclay

« Innovation bio-inspirée » - 2021

Page 2: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Biomimétisme à l’IPVF

Biomimétisme à l’IPVF : s'inspirer des propriétés des organismes biologiques pour

améliorer les propriétés optiques et thermiques des cellules solaires, tout en gardant

une efficacité élevée.

Source : edf.fr

UMR IPVF 9006

Thématiques de recherche à l’IPVF : améliorer les performances et la compétitivité des

cellules photovoltaïques et développer de nouvelles technologies de rupture.

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 3: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Couleurs structurales et cristaux photoniques

On s’intéresse surtout aux couleurs dites « structurales », c’est-à-dire qui ne sont pas issues de

pigments mais qui résultent d’un arrangement périodique de structures micro- et/ou nano-

métriques.

On appelle cristal photonique une structure périodique transparente aux ondes

électromagnétiques sauf sur une certaine gamme de fréquences ou gap photonique.

Souris de mer

A-L Joudrier et al.,

Energy Procedia 60 (2014) 173 – 180

Opale

P. Vukusic et al., Nature 24, 852, (2003)

Ailes de papillon

Plumes d’oiseaux

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 4: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Cellules photovoltaïques colorées bio-inspirées du papillon Morpho

Bläsi et al., Proceeding 33rd EUPVSEC, (2017), Amsterdam,

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

1.09x1.12 m2

Photo: Izzy LeCours , License: CC BY 2.0

Main constituents of the Morpho effect:

Interference from a finite Bragg stack (distance between

lamellae d), diffraction from ridges of a given width a,

and disorder caused by height variation. The angle of

incidence is and the outgoing angle .

MorphoColor™ Concept

Page 5: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Fleurs : la pensée Viola xWittrockiana et la rose ‘el toro’

R. Schmager et al., ACS Photonics 2017, 4, 2687-2692 R. Hünig et al., Adv. Optical Mater. (2016)

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 6: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Le papillon Pieris : un concentrateur solaire

K. Shanks et al., Sci. Rep. 5, 12267; (2015).

Partie blanche de l’aile Partie noire de l’aile

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 7: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate 7

Algue unicellulaire

composée de 2 valves

large

medium

small

Un cristal photonique naturel avec une périodicité

multi-échelle

M. Gross , Current Biology

Vol 22 No 15, R581 (2012)

D. Losic et al., New J. Chem.,

2006, 30, 908–914

M. Sumper, Science 295,

2430 (2002)

S. Cassaignon et al., Materials Today,

Volume 1, Supplement, 2014, 209-215

DSSC with enhanced photonic capture resulting from

the incorporation of a reflective diatom-TiO2 layer.

C. Jeffryes et al., Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3930

Très peu de références concernant

les diatomées pour le PV

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

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IPV

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© IP

VF

2021 A

ll rights

reserv

ed.

Diatomées pour le PV

Page 8: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Effet de guide d’onde dû au réseau de pores

périodique et multi-échelle du frustule

Spot lumineux au centre du frustule

200 µm

Observations au microscope optique

µm

5 µm

5 µm

Frustules observés avec différentes

focalisations

Effet de lentille dû à la périodicité des

pores du frustule

Couplage avec la cellule solaire

10 µm

Propriétés optiques des diatomées

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A-L. Joudrier et al., NICE-conference, 2014

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 9: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Concentrateurs solaires luminescents

9

LSC

LSC = une cavité piégeant la lumière jusqu’à ce que, par jeu de

réflexions internes totales, les photons atteignent la cellule PV.

Luminescent Solar Concentrators (LSC)

LSC

PBS

PBS (Photonic Band Stop) : permet

de limiter les pertes en face avant

Optimisation de

l’absorption des photons

Modélisations

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F. Proise et al., EPJ Photovoltaics 9, 12 (2018)

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 10: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Couplage LSC/CP

10

Dépôt du PBS sur LSC: adhérence et mouillabilité à optimiser pour un

bon couplage.

Fabrication d’opales en silice

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A.-L. Joudrier et al., Energy Procedia 60 (2014) 173 – 180

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 11: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Conversion de fréquence : up- et down-conversion

11

Fractions du spectre solaire : utilisée par une cellule

solaire en silicium cristallin (en vert) et disponible pour

l’up- et la down-conversion (grisé)

Permet d’utiliser les photons non absorbés par la cellule

Down-conversion Up-conversion

Protéine mTurquoise

Cellule couverte d’une matrice polymère

dopée à la protéine mTurquoise

Couplage à optimiser pour améliorer

le rendement

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C. Crevant, PhD Thesis, Sorbonne Université, 2018

Protéine lyophilisée

Protéine diluée

dans l’eau

Eclairage ambiant Eclairement UV

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 12: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Echantillons de papillons

Thyridia confusa

Agraulis vanillae nigrior

Asterope leprieuri Morpho hercules hercules

Delias belisama

Th

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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 13: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Observations par microscope optique et MEB

Delias belisama : zone de couleur blanche

Structure remplie de granules

de pigment (ptérinosomes)

Couleur blanche des ailes

Morpho hercules hercules : zone de couleur verte

1,4 µm

600 nm

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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 14: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Asterope Leprieuri

Zone de couleur verte

Zone de couleur noire

2,3 µm

3,3 µm

1,3 µm

0,6 µm

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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020

Page 15: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Réflexion diffuse

0,56 0,58 0,60 0,62

0,0

0,2

0,4

0,6

sin i²

Linear Fit of Sheet1 E"sin i²"

sin

lambda min ²

Equation y = a + b*x

Plot sin i²

Weight No Weighting

Intercept 5,03676 ± 0,06292

Slope -8,06789 ± 0,10646

Residual Sum of Squares 1,64525E-5

Pearson's r -0,99991

R-Square (COD) 0,99983

Adj. R-Square 0,99965

Asterope Leprieuri : Longitudinal

300 400 500 600 700 800 900

0

20

40

Incidence normale

Incidence +15°

Incidence +30°

Incidence +45°

Incidence -15°

Incidence -30°

Incidence -45°

R (

u.a

)

Wavelength [nm]

Asterope Leprieuri : Longitudinal

e 350 nm

ne 2,24

k = 2

300 400 500 600 700 800 900

0

10

20

30

40

50

Incidence normale

Incidence +15°

Incidence +30°

Incidence +45°

Incidence -15°

Incidence -30°

Incidence -45°

R (

u.a

)

Wavelength [nm]

Asterope Leprieuri : Transversal

0,165 0,170 0,175 0,180 0,185

0,0

0,2

0,4

0,6

sin i²

Linear Fit of Transversal E"sin i²"

sin

lambda min ²

Equation y = a + b*x

Plot sin i²

Weight No Weighting

Intercept 5,84819 ± 0,9377

Slope -31,9555 ± 5,37136

Residual Sum of Squares 0,0026

Pearson's r -0,98617

R-Square (COD) 0,97252

Adj. R-Square 0,94504

Asterope Leprieuri : Transversal

e 176 nm

ne 2,42

k = 2

Longitudinal Transversal

Les stries sontparallèles au plan

d’incidence

Sample

Les stries sontperpendiculaires au

plan d’incidence

A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020

Th

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Page 16: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Spectroscopie angulaire T

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reserv

ed. Echantillon

Détecteur

(fibre optique) Spectromètre

Lumière

incidente

A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020

Dispositif expérimental

On obtient des spectres de réflexion à

partir desquels on peut tracer le

diagramme de chromaticité CIE en

fonction de l’angle d’incidence.

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 17: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Propriétés thermiques

Température stabilisée après environ 1 min, les nervures sont plus

chaudes que le reste de l’aile

Pics d’absorption vers 2 µm et 10 µm dans l’IR

Fig. 3 : (a) Asterope Leprieuri : les nervures

ont la température la plus chaude (ici 25,92°C)

(b) Morpho hercules hercules : de même, les nervures sont plus chaudes que le reste des

ailes (ici 24,37°C)

8 10 12 14

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Pabs

(W.m

-3)

Wavelengths (µm)

idéale

réelle

comparaison Pabs structure réelle et idéale entre 8 et 15 µm

tests 33 et 34

de 8 à 15 µm

A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

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2021 A

ll rights

reserv

ed.

Observations avec une caméra

infrarouge Simulation des pics d’absorption

Page 18: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Conclusions et perspectives

La nature nous offre les plus beaux exemples de cristaux photoniques : ailes de

papillons, insectes, plumes oiseaux, fleurs, diatomées …

Les propriétés optiques de tels matériaux biologiques sont intéressantes pour les

cellules solaires : concentration, couleurs, thermique …

Quelques panneaux photovoltaïques colorés inspirés notamment du papillon

Morpho déjà existants.

Beaucoup de perspectives pour les cellules solaires et l’intégration au bâti…

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

Page 19: Cellules photovoltaïques bio-inspirées

TitreDate

Remerciements

Ce projet a obtenu le soutien financier du CNRS à travers les

programmes interdisciplinaires de la MITI.

Imagerie MEB :

S. Cassaignon

Réflexion diffuse :

S. Berthier

Merci de votre attention !

Stagiaires :

R. Grapin

R. de Maleprade

A. Chervet

X. F. Zheng

27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay

PhD :

F. Proise

C. Crevant