définition du projet de recherche : Étude du comportement et des performances de cellules...

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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Faculté de génie Département de génie mécanique ÉTUDE DU COMPORTEMENT ET DES PERFORMANCES DE CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES À HAUTE ET BASSE TEMPÉRATURE GMC 727 Dénition du projet de recherche Julien BERNIER OUELLET Jury : Prof. Richard ARÈS (directeur) Sherbrooke (Québec) Canada Octobre 2012

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L’objectif de la recherche est de caractériser précisément la performance de cellules photovoltaïquesde différents matériaux (c-Si, a-Si :H, CdTe et CIGS) à haute et basse température.

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  • UNIVERSIT DE SHERBROOKEFacult de gnieDpartement de gnie mcanique

    TUDE DU COMPORTEMENT ET DESPERFORMANCES DE CELLULESPHOTOVOLTAQUES HAUTE ETBASSE TEMPRATUREGMC 727 Dfinition du projet de recherche

    Julien BERNIER OUELLET

    Jury : Prof. Richard ARS (directeur)

    Sherbrooke (Qubec) Canada Octobre 2012

  • RSUM

    La performance des cellules photovoltaques a t normment tudie des tempraturesavoisinantes de la temprature ambiante. En effet, il est tabli depuis longtemps que laperformance dcroit lorsque la temprature augmente et inversement lorsquelle diminue.Une utilisation classique de cellules photovoltaques na donc jamais ncessit la caract-risation des tempratures loignes de la temprature ambiante. La problmatique estdonc de connatre la performance de cellules photovoltaques sur une plage trs large detempratures qui pourrait tre rencontre lors dune utilisation inhabituelle des cellules.Lobjectif de la recherche est de caractriser prcisment la performance de cellules pho-tovoltaques de diffrents matriaux (c-Si, a-Si :H, CdTe et CIGS) haute et basse temp-rature. Un banc dessais sera construit afin de contrler la temprature et lirradiation dela cellule. Ce banc dessais mesurera galement la tension aux bornes de la cellule et lecourant sortant. Chaque cellule sera mesure en tension et en courant sur la plage -40 C 300 C afin de tracer des courbes I-V (courant-tension) sur lintervalle de tempraturepuisque ces courbes caractrisent compltement la performance des cellules. Paralllement,des simulations effectues sur des modles physiques simples permettront de prdire lesperformances.La connaissance des performances des cellules haute temprature est ncessaire dans lecas dune utilisation dans un systme hybride thermique/photovoltaque puisque le rende-ment global du systme dpend de deux sous-systmes au lieu dun seul. Les performances trs basse temprature sont quant elles intressantes dans le contexte dune utilisationdans le Grand Nord qubcois. La caractrisation des performances ces tempratures adonc le potentiel dengendrer de nouveaux systmes de gnration dnergie et de diversi-fier lutilisation qui en est faite.Mots-cls : photovoltaque, caractrisation, performance, temprature, silicium, nergie so-laire

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  • TABLE DES MATIRES

    1 Introduction 11.1 Le cot de lnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 La conversion du rayonnement solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Dveloppement dun capteur hybride : une collaboration RACKAM/CRN2 . 32 tat de lart 52.1 Les cellules photovoltaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1 Les matriaux semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 La jonction P-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Types de cellules photovoltaques et performances . . . . . . . . . . . 82.1.4 Caractrisation des cellules PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2 Impact de la concentration et de la temprature . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.1 Limite intrinsque du matriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.2 tudes thoriques et exprimentales en temprature . . . . . . . . . . 112.2.3 Influence du type de matriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.4 Influence du niveau de concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Systmes photovoltaques/thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.1 La valeur de lnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.2 Les systmes PV/T existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Dfinition du projet 223.1 Problmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Mthodologie 244.1 Approche gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2 Prdiction thorique des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3 Caractrisation exprimentale des performances . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3.1 Le banc dessais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3.2 Essais raliser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 Conclusion 28LISTE DES RFRENCES 29

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  • LISTE DES FIGURES

    1.1 volution du cot par unit de puissance de modules photovoltaques ausilicium en fonction du volume de production cumulatif mondial. . . . . . . . 22.1 Processus dexcitation dun lectron dans un matriau semi-conducteur parabsorption dun photon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Schma simplifi dune jonction p-n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Structure dune cellule triple-jonctions et sparation du spectre engendrpar un empilement de jonctions dont lnergie de bande interdite est diffrente. 82.4 Courbe courant-tension type dune cellule photovoltaque. . . . . . . . . . . . 102.5 Schma de la mthode de mesure par 4 pointes. . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Variation de la tension de circuit ouvert VOC et du courant de court-circuitISC en fonction de la temprature et pour diffrents spectres. . . . . . . . . . 132.7 Coefficient de variation de la puissance maximale Pmax correspondant refdans lquation 2.2 pour diffrentes cellules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8 Influence du produit de la rsistance en srie Rs avec la surface de la cellulesur le rendement de conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.9 Valeur relative de lnergie pour le systme CHAPS. . . . . . . . . . . . . . . 162.10 Phnomne de concentration des rayons sur un miroir parabolique. . . . . . 172.11 Irradiation dune cellule photovoltaque par un flux radiatif net Gnet . Ce fluxest en partie rflchi (Gref ), en partie absorb sous forme dnergie ther-mique (Gabs) et sous forme dnergie lectrique (GPV ) et en partie transmissous forme de rayonnement lectromagntique (Gtr). . . . . . . . . . . . . . . 182.12 Sparation du spectre en diffrentes longueurs donde. . . . . . . . . . . . . . 192.13 Absorption slective et transmission vers la cellule. . . . . . . . . . . . . . . . 202.14 Utilisation dune lentille plan convexe pour sparer le spectre. . . . . . . . . 204.1 Schma du circuit quivalent dune cellule photovoltaque. Jph est la densitdu photo-courant, Jo est la densit du courant de saturation inverse, V estla tension aux bornes de la cellule, Rp est la rsistance parallle et Rs estla rsistance srie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

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  • LISTE DES TABLEAUX

    2.1 Rendement maximal thorique pour diffrents niveaux de concentration C etun nombre n diffrent de jonctions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Rendement moyen de conversion de diffrents types de cellules simple jonc-tion 25 C et soumises un rayonnement non concentr. . . . . . . . . . . 9

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  • LISTE DES SYMBOLES

    Symbole DfinitionEc nergie minimale de la bande de conductionEe nergie dun lectronEG nergie de bande interditeEv nergie maximale de la bande de valenceFF Fill FactorIm Courant au point de puissance maximaleIsc Courant de court-circuitPlight Puissance de lirradiationVoc Tension de circuit ouvertVm Tension au point de puissance maximale

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  • LISTE DES ACRONYMES

    Acronyme Dfinitiona-Si Silicium amorpheCdTe Tellure de cadmiumCIGS Cuivre, indium, gallium et slnium de forme Cu(In, Ga)Se2c-Si Silicium mono-cristallinkWh Kilowatts-heuresORC Cycle organique de RankinePV PhotovoltaquePV/T Photovoltaque/thermiquep-Si Silicium poly-cristallinUdeS Universit de Sherbrooke

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  • CHAPITRE 1

    Introduction

    Le contexte international de rchauffement climatique global dcoule directement de luti-lisation massive de carburants non renouvelables depuis le dbut de la rvolution indus-trielle [1]. Les impacts ngatifs associs aux missions de la combustion de ces sourcesforcent la socit trouver des solutions durables aux problmes nergtiques. La sourcednergie principale devra moyen terme se transformer en sources naturellement dispo-nibles et renouvelables dont les principales sont lnergie solaire, la gothermie, lnergieolienne, la biomasse et lnergie hydraulique. Dentre toutes, lnergie solaire est sanscontredit la plus grande source dnergie disponible sur terre. En effet, le potentiel ner-gtique solaire est quivalent 14 000 fois la consommation nergtique mondiale [1].1.1 Le cot de l'nergie

    Lnergie solaire est gnralement reconnue comme tant une source idale dnergie pourles besoins de la socit. Malheureusement, en raison de cot relativement faible dessources dnergie non-renouvelables comme le gaz naturel et le charbon, le cot associ un systme de gnration dnergie partir dune source solaire est souvent plus levque pour une technologie base de combustibles fossiles. Ceci conduit souvent deschoix technologiques moins avantageux long terme pour la socit lors de prises dedcisions de production nergtique industrielles ou gouvernementales. titre dexemple,le U.S. Energy Information Administration a ralis une tude comparative en 2012 surle cot de llectricit de diffrentes sources. Lorsque lnergie provient dune centraleau gaz cycle combin, ce cot est de 0,0631 $/kWh alors que celui provenant dunecentrale photovoltaque (PV) est estim 0,1527 $/kWh [2]. Malgr cela, le cot destechnologies photovoltaques diminue constamment avec laugmentation de la productioncumulative mondiale (figure 1.1). Ceci tend rendre les technologies PV de plus en plusabordables.Plusieurs technologies existent pour transformer le rayonnement solaire en nergie utile.Les principales sont les panneaux photovoltaques, les systmes photovoltaques concentrset les systmes thermiques concentrs.

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  • PHOTOVOLTAICS: TECHNOLOGIES, COST, AND PERFORMANCE

    4

    SunShot Vision Study February 2012 75

    42 For all market segments, the uncertainty analysis considers a range of module assumptions based on c-Si technologies (standard c-Si up to super monocrystalline-based products), including market-appropriate module sizes. In the case of utility fixed axis only, modules based on cadmium telluride were also considered.

    Figure 4-3. Decline in Factory-Gate PV Module Prices with Increasing Cumulative Module Shipments

    Sources: Mints (2011), Mints (2006), Strategies Unlimited (2003)

    Figure 4-4. Benchmarked 2010 Installed PV System Prices with Uncertainty Ranges for Multiple Sectors and System Configurations with Three Standard Deviation Confidence

    Intervals Based on Monte Carlo Analysis42

    Source: Goodrich et al. (2012)

    Figure 1.1 volution du cot par unit de puissance de modules photo-voltaques au silicium en fonction du volume de production cumulatif mon-dial [3].1.2 La conversion du rayonnement solaire

    La conversion photovoltaque du rayonnement solaire permet de transformer une partie delnergie contenue dans le rayonnement solaire en lectricit. Cette conversion est effectuepar une cellule photovoltaque qui produit une faible tension lorsquelle est claire. Cescellules sont agences entre elles de manire crer un systme photovoltaque completo le courant et la tension correspondent le mieux possible avec les besoins nergtiques.Les panneaux photovoltaques simples sont composs dune srie de cellules photovol-taques soumises au rayonnement solaire naturel. Ils sont couramment utiliss pour laproduction rsidentielle et industrielle dnergie. Les systmes photovoltaques concentrssont aussi composs dune srie de cellules mais qui sont cette fois soumises un rayonne-ment solaire artificiellement concentr par des miroirs ou des lentilles. Puisque lintensitdu rayonnement est plus grande, une surface photovoltaque plus petite est ncessaire pourproduire une mme quantit dnergie et la densit de courant est plus leve. Le cot dusystme global est donc divis entre celui des cellules et celui du systme optique deconcentration. Pour cette raison, il est gnralement plus avantageux dutiliser des cellulesplus efficaces mais aussi plus coteuses et daugmenter le niveau de concentration. Ladensit de puissance est donc plus grande et leffet net observ est une diminution globaledu cot par kWh un niveau de concentration spcifique. Ces cellules sont fabriques base de matriaux semi-conducteurs III-V et sont gnralement de type multi-jonction.

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  • La conversion solaire thermique repose quant elle sur la gnration directe de chaleurpour ensuite lutiliser directement comme chauffage, dans des procds industriels ou encorepour la transformer en lectricit par diffrents cycles thermodynamiques, notamment lecycle de Rankin et celui de Stirling.Un aspect important de la conversion PV est que les cellules photovoltaques possdentun rendement de conversion qui dfinit la proportion de lnergie contenue dans les rayonsincidents qui est convertie en lectricit. Ce rendement est dpendant de la tempraturede fonctionnement et pour des cellules commerciales au silicium temprature ambiante,il est de lordre de 15 19 % [4, 5] alors que des cellules de laboratoire peuvent atteindre25 % [6]. Le reste de lnergie non convertie est majoritairement transform en chaleur.Lide de base des systmes appels hybrides photovoltaques/thermiques est de couplerles pertes en chaleur des cellules PV avec un systme de rcupration dnergie thermique.Une telle technologie a le potentiel daugmenter la production totale dnergie du systmeen produisant de llectricit et de la chaleur utile et donc de rduire le cot du kWh. Lachaleur peut ensuite tre utilise directement ou convertie en lectricit. Dans le cas dela conversion en nergie lectrique, une temprature de fonctionnement leve permet unrendement de conversion plus important. Par contre, une temprature de fonctionnementleve pose de nombreuses questions quant au comportement et la performance de cel-lules PV dans cet environnement. Ainsi, la connaissance des performances des cellules haute temprature est ncessaire dans le cas dune utilisation dans un systme hybridethermique/photovoltaque puisque le rendement global du systme dpend des deux ph-nomnes.Cest dans cette optique gnrale de rduction du cot de lnergie solaire que lentrepriseRACKAM dsire dvelopper et produire des systmes solaires hybrides concentrateurscylindro-paraboliques efficaces.1.3 Dveloppement d'un capteur hybride : une collaboration

    RACKAM/CRN2

    Des systmes thermiques concentration solaire sont conus, fabriqus et vendus depuis2011 par lentreprise Rackam. Ces systmes reposent sur une concentration du rayonnementsolaire laide de miroirs cylindro-paraboliques qui conduit une diminution de la surfaceirradie et une augmentation de la densit de puissance surfacique atteignant le rcepteur.Cette concentration peut atteindre un facteur de 50 fois pour un systme prsentant peudimperfections mcaniques. Le flux solaire est concentr sur un tube situ au point focal3

  • et lintrieur duquel circule un fluide caloporteur. Ces concentrateurs sont utiliss pourgnrer de la chaleur qui peut tre utilise dans diffrents procds industriels ou pouralimenter un cycle organique de Rankine (ORC) et ainsi produire de llectricit.Dans le but de dvelopper de nouveaux produits rpondant aux besoins nergtiques gran-dissants, RACKAM sest associe avec des chercheurs du CRN2 (un regroupement de cher-cheurs du Qubec et de la France) afin de dvelopper un nouveau systme solaire hybride.Le CRN2 est spcialis dans les nano-technologies et le dveloppement de systmes basede matriaux semi-conducteurs tels que les cellules photovoltaques et les transistors.Tel que mentionn la section 1.2, il est ncessaire de connatre le comportement de cel-lules PV haute temprature afin de concevoir un systme hybride de manire claire.De plus, RACKAM dsire dvelopper des systmes dnergie solaire dans le Grand Nordqubcois o la temprature ambiante peut atteindre -40 C. Ces contraintes de fonc-tionnement posent de nombreuses questions quant au comportement et la performancede cellules PV ces tempratures. Le projet actuel propose dtudier spcifiquement laquestion de la performance de cellules PV des tempratures extrmes afin de faciliter laprise des dcisions lors de la conception dun systme hybride photovoltaque/thermique.Le prsent document vise dfinir de manire prcise ce projet de recherche. Premirement,un tat de lart des connaissances actuelles sera prsent. Les bases du fonctionnementdune cellule PV, une revue des systmes hybrides existants et une revue des caractris-tiques influenant la performance en fonction de la temprature seront exposes. Ensuite,la problmatique sera prsente et le sujet de recherche dfini. Finalement, lapprochegnrale et la mthodologie envisage pour rsoudre la problmatique sera prsente.

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  • CHAPITRE 2

    tat de l'art

    Afin de bien comprendre les phnomnes physiques et les enjeux relis au projet, diffrentsaspects du fonctionnement de cellules photovoltaques et des systmes hybrides serontabords. Premirement, une revue du fonctionnement dune cellules PV, de ses paramtresphysiques et de sa caractrisation jettera les bases ncessaires la comprhension desphnomnes importants. Ensuite, une revue des systme photovoltaques/thermiques exis-tants ou dj tudis mettra prcisment en contexte lide de fond qui a engendr leprojet, soit le dveloppement dune centrale solaire hybride photovoltaque/thermique haute temprature. Finalement, une revue de littrature sur les performances dj mesureou simules de cellules PV haute temprature justifiera lexistence du projet de recherche.2.1 Les cellules photovoltaques

    Une cellule photovoltaque standard est cre partir dun matriau semi-conducteur.Les matriaux semi-conducteur purs sont qualifis dintrinsques. Ces matriaux diffrentdes matriaux utiliss dans les cellules photovoltaques par le niveau de dopage. Unecomprhension du niveau du comportement des matriaux intrinsques est donc crucialepour expliquer le comportement des matriaux dops.2.1.1 Les matriaux semi-conducteurs

    Un matriau semi-conducteur intrinsque est caractris par la prsence de diffrentsniveaux dnergie distincts. Les lectrons excits par les photons peuvent atteindre cesniveaux dnergie si le photon possde une nergie suprieure EG = h, o h est laconstante de Planck et est la frquence du photon. Cette nergie minimale correspond lnergie de bande interdite et dpend principalement du type datomes composant lematriau. Cest galement cette nergie qui caractrise un semi-conducteur. En effet, unmatriau conducteur possde une nergie de bande interdite nulle alors que cette dernireest trs grande dans un matriau isolant. Le semi-conducteur se situe entre les deux :assez faible pour permettre lexcitation dlectrons, mais assez leve pour que le matriaune soit pas un conducteur parfait. Si lnergie du photon est suprieure EG , ce dernierabaisse son niveau dnergie jusquau niveau EG par gnration de phonons et il y a donc5

  • production de chaleur. Ce processus se produit de la mme manire que dans un mtal.La figure 2.1 montre les diffrents niveaux dnergie que llectron peut prendre. Une fois

    h EGGnration de phononsEe

    EvEc

    Figure 2.1 Processus dexcitation dun lectron dans un matriau semi-conducteur par absorption dun photon.lnergie Ec atteinte, llectron ne peut plus gnrer de phonons uniques puisque le seulniveau dnergie plus bas disponible est Ev et est quivalent plusieurs phonons. Ainsi,llectron doit gnrer simultanment une grande quantit de phonons ou mettre un photondnergie gale EG . Ces deux processus sont possible mais beaucoup moins probablesque la gnration dun phonon unique. Ainsi, un lectron dans la bande de conductiony reste coinc jusqu ce quun de ces deux processus se produisent et ce temps peutatteindre 103s [voir 7, chap. 3]. Cest ce long temps de vie qui permet la rcupration dellectron avant quil ne se recombine et ainsi la production dlectricit.Lorsquun lectron est excit de la bande de valence vers la bande de conduction, la chargengative quil portait nest plus prsente dans les niveaux dnergie infrieurs. Ainsi, il laissederrire lquivalent dune charge positive. ces charges positives thoriques sont appelesdes trous et ils se comportent de la mme manire que des lectrons, mais possdent unecharge positive. Lorsquun lectron excit quitte la bande de conduction pour retournerdans la bande de valence, il se recombine avec un trou.2.1.2 La jonction P-N

    Il est possible de modifier la concentration des lectrons et des trous dans un semi-conducteur en le dopant. Ainsi, il est possible de crer un matriau qui comportera uneconcentration beaucoup plus importante dlectrons que de trous (matriau dop n ) ,tout comme il est possible de crer un matriau ayant une plus grande concentration detrous (matriau dop p ).La figure 2.2 schmatise une jonction p-n typique. Lorsquun matriau dop n est mis encontact avec un matriau dop p, les porteurs de charge du matriau p diffusent dans le

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  • matriau n et vice versa. Cette diffusion laisse derrire des charges positifs et ngatifsadjacents qui forment la zone de dpltion (aussi appele depletion zone ou space chargeregion en anglais). Cette adjacence de charges positives et ngatives engendre un champlectrique dirig du matriau n vers le matriau p. Ce champ lectrique restreint la diffusiondes porteurs et un quilibre sinstalle entre la diffusion et le repoussement cr par lechamp.

    Figure 2.2 Schma simplifi dune jonction p-n.

    Un photon dnergie suffisante peut tre absorb par un lectron fix un atome tel queprsent la figure 2.1. Il y a ainsi cration dune paire lectron-trou. Ce phnomne peutse produire dans la zone de dpltion comme dans la zone neutre. Dans le premier cas,le champ lectrique intense spare immdiatement les porteurs dans leur zone respective :les lectrons vers le ct p et les trous vers le ct n. Lorsque la paire lectron-trouest gnre dans une des deux zones neutres loignes de la zone de dpltion, cesporteurs minoritaires se dplace de manire alatoire dans la zone neutre jusqu ce quilssapproche de la zone de dpltion. ce moment, ils sont transports de lautre ct dela zone de dpltion par le champ lectrique cr par cette dernire. Ainsi, lorsque lacellule est sous illumination, il y a une accumulation de charges positives du ct p et uneaccumulation de charges ngatives du ct n. Si un circuit ferm est cr entre ces deuxmatriaux, un courant peut circuler et produire un travail.7

  • 2.1.3 Types de cellules photovoltaques et performances

    Une cellule PV peut tre compose de une ou plusieurs jonctions p-n et tre composede diffrents matriaux semi-conducteurs. Lutilisation de plusieurs jonctions composes dematriaux diffrents au sein dune mme cellule permet de crer plusieurs niveaux dnergiediffrents vers lesquels des lectrons pourront tre excits. Les diffrentes jonctions pos-sdent une nergie de bande interdite diffrente les unes des autres et ceci rsulte en unedivision du spectre en diffrentes sections tel que prsent la figure 2.3. Le concept cl

    Figure 2.3 Structure dune cellule triple-jonctions et sparation du spectreengendr par un empilement de jonctions dont lnergie de bande interditeest diffrente les unes des autres [Wikipedia].du fonctionnement dune cellule multi-jonction est que la jonction suprieure absorbe lesphotons de haute nergie et est transparente aux photons dnergie infrieure puisque cesderniers interagissent trs peu avec la matire. Cest donc la jonction suivante qui absor-bera une autre portion du spectre et ainsi de suite jusqu la dernire jonction. Le contactentre les diffrentes jonctions p-n est assur par les jonctions tunnels qui permettent letransport de charges et ninterviennent pas dans la gnration de courant, mais doiventtout de mme tres transparents aux photons devant se rendre aux couches infrieures.Les cellules multi-jonctions permettent daugmenter considrablement le rendement deconversion thorique maximal tel que le dmontre le tableau 2.1. Ces rendements maximauxsont bass sur une tude thermodynamique dune cellule o seules les recombinaisons ra-diatives sont prsentes. Ainsi, ils reprsentent une limite quune cellule relle prsentantdes phnomnes non-radiatifs ne peut dpasser. Pour chaque condition dopration (nombrede jonctions et niveau de concentration), il existe une nergie de bande interdite optimalepour chaque jonction. Les rendements de conversion moyen obtenus commercialement etmaximaux obtenus en laboratoire de diffrents types de cellules est donn au tableau 2.2.

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  • Tableau 2.1 Rendement maximal thorique pour diffrents niveaux deconcentration C et un nombre n diffrent de jonctions [8, 9].Niveau deconcentration Nombre dejonctions rendement (%)1 1 31,02 42,93 49,3100 1 35,22 48,43 55,6

    Tableau 2.2 Rendement moyen de conversion de diffrents types de cel-lules simple jonction 25 C et soumises un rayonnement non concentr.Type de cellule Rendementmoyen (%) Rendementmaximal (%)c-Si 18,4 [5] 25 [6]pc-Si 15 20,4 [6]a-Si :H 6,5 [10] 10,1 [6]CdTe 8,8 [10] 16,7 [6]Cu(In,Ga)Se2 12,2 [10] 19,6 [6]GaAs 21 [11] 28,3 [6]

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  • 2.1.4 Caractrisation des cellules PV

    Une cellule PV se comporte essentiellement comme une diode. Elle peut donc tre carac-trise par une courbe du courant en fonction de la tension similaire la figure 2.4. Lepoint de fonctionnement dpend de la charge lectrique connecte la cellule. En circuitouvert, la tension V = VOC est maximale et le courant I est nul. Plus la charge augmente,plus la tension diminue jusqu ce que le systme atteigne la puissance maximale Pm Vmet Im. lautre extrmit de la courbe se trouve le courant de court-circuit Isc. En ralit,ce courant de court-circuit nest pas facilement mesurable et est gnralement extrapol partir de donnes trs faible tension [12].Ces quantits sont relies au rendement de conversion par lquation 2.1.

    = ImVmPlight = FFIscVocPlight (2.1)Le terme FF = ImVmIscVoc est le Fill Factor et permet de mettre en relation le point de puissancemaximal rel (influenc notamment par les valeurs de rsistance en srie et en parallle lintrieur de la cellule) et les valeurs de courant et tension en court-circuit et en circuitouvert. Pour des cellules au silicium cristallin, le Fill Factor varie de 0,7 0,8 [voir 4, chap.6].

    Figure 2.4 Courbe courant-tension type dune cellule photovoltaque illu-mine (courbe du bas) et non-illumine (courbe du haut) [13].La caractrisation classique dune cellule consiste balayer la plage de fonctionnement dela cellule avec diffrents couples de courant et de tension. Ces couples sont gnralementmesures par la mthode des 4 pointes. Dans cette technique, la mesure du courant et

    10

  • de la tension est faite sparment. Ceci permet de mesurer la tension relle aux bornesde la cellule en excluant les pertes de tension associes au courant sortant de la cellule.La figure 2.5 montre comment lutilisation de 4 conducteurs permet dexclure la rsistanceRwire de la mesure de tension. Puisque le courant circule uniquement dans le fil contenantla rsistance Rwire (ce qui introduit une baisse de tension selon lquation V = RwireI), lamesure de la tension nest pas affecte.

    Figure 2.5 Schma de la mthode de mesure par 4 pointes [All AboutCircuits].

    2.2 Impact de la concentration et de la temprature

    Le rendement de conversion dune cellule PV varie en fonction de la temprature et duniveau de concentration. lampleur de ces variations dpend principalement du type decellule (simple jonction ou multi-jonction) et du matriau semi-conducteur utilis.2.2.1 Limite intrinsque du matriau

    Klugmann et Polowczyk ont montr que pour un semi-conducteur faiblement dop, il existeune limite de temprature laquelle le matriau devient essentiellement intrinsque etla jonction p-n cesse de fonctionner. Pour le silicium faiblement dop (n 1015 cm3),cette limite se situe aux alentours de 347 C [14]. Ceci sexplique par une diminution de ladiffrence de potentiel entre les niveaux de Fermi des semi-conducteur de type p et n. latemprature limite, la diffrence est pratiquement nulle et le matriau devient intrinsque.De plus, la limite de temprature augmente avec la concentration de porteurs et donc avecle niveau de dopage [voir 15, chap. 7].2.2.2 tudes thoriques et exprimentales en temprature

    La variation de temprature modifie les proprits du matriau semi-conducteur. Une aug-mentation de temprature introduit principalement deux changements au sein de la cellule :11

  • une diminution de lnergie de bande interdite et une augmentation du taux de recombinai-son des porteur. Le premier changement a pour effet daugmenter le courant de court-circuitISC de la cellule alors que le second diminue la tension en circuit ouvert VOC en augmentantle courant de saturation [voir 16, chap. 12]. Ces deux changements principaux ont des effetsinverses : laugmentation de ISC tend augmenter le rendement alors que la diminutionde VOC tend rduire le rendement. Leffet net est une diminution du rendement tel quedmontr dans la littrature [5, 17, 18].Des tudes thoriques de linfluence de la temprature sur la performance de cellulesont dj t menes. Entre autres, Wysocki a montr quil existe une nergie de bandeidale qui maximise le rendement de conversion pour nimporte quelle temprature [19].Ainsi, le matriau le plus efficace une temprature donne peut tre diffrent de celui une temprature plus leve. Singh et Ravindra ont montr quun modle simple dediode sans pertes rsistives correspond bien aux comportements rels sur une plage detemprature allant de 22 C 47 C pour des cellules c-Si [20]. Il est difficile de savoir sicette concordance se retrouve galement haute temprature puisque Arora et Hauser ontmontr que les paramtres de performance varient de manire non-linaire tel que montr la figure 2.6. Ceci rend lextrapolation haute temprature de rsultats exprimentauxvalides basse temprature peu fiable.Skoplaki et Palyvos ont rfrenc une grande quantit de relations entre le rendement dunmodule PV et sa temprature de fonctionnement. Ces dernires prennent la forme proposepar Evans en 1977 [23], soit

    T = ref [1 ref (T Tref )] (2.2)o refest le rendement la temprature de rfrence Tref . ref est un coefficient calculthoriquement ou mesur exprimentalement. Cette hypothse est valide basse tem-prature mais hormis ceux de Meneses-Rodrguez et al. [5], peu de travaux ont validexprimentalement lquation plus de 100 C.Meneses-Rodrguez et al. ont simul linfluence de la concentration et de la temprature laide dun modle physique prenant en compte le mouvement des lectrons tel que dict parlquation de Boltzmann. Ces simulations ont t valides par des mesures exprimentalessur la plage de temprature de 25 C 100 C pour un rayonnement non concentr et de60 C 170 C pour un rayonnement concentr 30x sur ces cellules c-Si. Les rsultatsanalytiques concordent avec les mesures exprimentales faible temprature et faibleniveau de concentration. Plus la concentration et la temprature augmentent, plus les

    12

  • N. D. Arora, J. R. Hauser / Silicon solar cell characteristics 155

    ~MO AMI 39T30

    .AMO

    0"51 ~/ I E

    38- -29 -,~

    >.

    04-- ~-

    37--28 n." rr" O

    ..)

    I--- a~ - I--- :3

    W (-) EK

    Z t.d I-'- n VocAM n,- o o -r-

    V) 02

    5(30 325 350 375 400 425 450 TEMPERATURE (K)

    Fig. 1. Variation of open circuit voltage (Vow) and short-circuit current (Isc) of n+p silicon solar cell with temperature at AM0 and AM 1 solar spectrum.

    Table 1 Temperature coefficients of Vo,, l~c and r/max for 10 ~ cm conventional silicon solar cell and AM0 solar spectrum

    Luft [1] Curtain and Cool [4] 25 Goldhammer and Slifer [5] 25 Our calculations 25

    Temperature I disc

    (C) isc dT

    To AT (~,FC)

    28 1 (~80 0.072

    15 55 0.053

    25 100 (0.046-0.042t 25-100 (0.045-0.0427)

    dVoc 1 d~/,~=,

    dT r/max dT

    (mY/'C) (~,/,/' C)

    -2.28

    - 2 .26

    -(2.28 2.31) - (2.24~2.31 ) - (0.543-0.555}

    Figure 2.6 Variation de la tension de circuit ouvert VOC et du cou-rant de court-circuit ISC en fonction de la temprature et pour diffrentsspectres [21].

    13

  • prdictions analytiques divergent. Cette diffrence est principalement due aux hypothsesidales poses lors de la modlisation [5].2.2.3 Inuence du type de matriau

    La plupart des matriaux semi-conducteurs se comportent comme le silicium mais pos-sdent des taux de variation des paramtres diffrents. Ainsi, Emery et al. ont recens lescoefficients de temprature de la puissance maximale fournie par diffrentes cellules. Lafigure 2.7 que le CdTe et le a-Si sont moins affects par la temprature que le c-Si ou lep-Si [24]. Encore une fois, ces coefficients sont gnralement valides basse temprature.

    REFER E:NCES

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    Table 1. Single-crystal and multicrystalline silicon TCsin units of ppm/C [2-51.

    TYW oc k c FF Pmax

    Space Si cell [3]

    PESC Si cell [4] c-Si module c-Si module p-Si module p-Si module p-Si module p-Si cell production

    Thin film Si Si Conc.l/ 250 suns [5]

    h

    6000 v

    E 5000 L a, 0

    a,

    .- E 4000

    3000 L

    2 2000 2 a, E 1000 I - o I

    -3490- -451 0 -2690 -281 7 -341 3 -2632 -3675 -2925

    -4330- -679

    -2429 -25841

    1724

    380- 71 0 650 41 1 130 435 675 407

    738- 1230 493

    168 4881

    I

    T

    -1 000- -1 600 -940

    -1 265 -1642 -1 172 -1 732 -1 556

    -84- -21 59 -993

    - 1 079/ -680

    -4070- -1600 -3200 -361 9 -5035 -331 8 -4690 -3996

    -3067- -5569 -2929

    -291 6/ -2282

    I I IT

    0 0 Figure 1. Range of Pmax TC of cells and modules evaluated at NREL [2,6,7].

    !? -2000 E v -4000

    2 -6000 N : -8000 I-

    -1 0000

    L

    E voc tl E. max

    0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Fraction of 1 -sun irradiance

    Figure 2. CdS/CulnSe2 module TC as a function of light level measured under the SPIRE 240A pulsed solar simulator (closed symbols) and Atlas Climatic SC1600 environmental chamber with metal halide lamps (open symbols).

    1277

    Figure 2.7 Coefficient de variation de la puissance maximale Pmax corres-pondant ref dans lquation 2.2 pour diffrentes cellules [24].

    2.2.4 Inuence du niveau de concentration

    Le niveau de concentration influence principalement deux paramtres : le courant gnr etla tension. De manire gnrale, on observe que la tension en circuit ouvert VOC augmenteproportionnellement au logarithme du niveau de concentration.Le courant gnr est directement proportionnel au facteur de concentration. Ainsi, leniveau de concentration aura un impact ngatif sur le rendement de conversion lorsque lapuissance dissipe lintrieur de la cellule devient trop importante. La performance descellules hauts niveaux de concentration dpend donc fortement de la rsistance interneen srie Rs.

    14

  • La combinaison de ces deux effets sur le rendement de conversion est reprsent lafigure 2.8. Le rendement augmente proportionnellement au logarithme de la concentrationpour de faibles niveaux de concentration. Lorsque le niveau de concentration augmenteet que leffet des pertes rsistives devient important, le rendement chute. Ce point decoupure ne se produit gnralement pas en dessous de 50x tel que dmontr par Meneses-Rodrguez et al. pour des cellules simple jonction [5] et par Vossier et al. pour des cellulesmulti-jonctions [11].256 D. J. MBEWE et al.

    p. t.)

    U E aJ

    Z 0 o9 tr tlJ ~>

    t..)

    3 k 25

    20-

    15

    I0 -

    5 - -

    0

    T = 300 K

    Ot S =- .v~- . - - - "

    "~, . rs : O-Ol~'-cm2

    \

    I I J IO I00 I000

    OPTICAL CONCENTRATION C

    Fig. 11. Photovoltaic conversion efficiency vs optical concentration at T = 300K with cell area-series resistance product as parameter.

    However, for cells near the inlet, fluid entrance ef- fects must be taken into account. If the ratio of dis- tance from the inlet, L, to hydraulic diameter, D, is between l0 and 400, the following correlation[25, 26] can be used:

    Nu o8 ,/3 (D) 55 = 0.036 R/ P , (24)

    Kreith[27] recommends the following correla- tion for short tubes with abrupt contraction

    entrances:

    and

    h"-~ = 1 +

    L if 2

  • Lexergie dun flux dlectrons dans un conducteur est gale son nergie. Ainsi, une cer-taine quantit dnergie lectrique peut thorique tre convertie entirement en travail. Encomparaison, lnergie thermique possde une trs faible exergie qui augmente proportion-nellement la diffrence de temprature entre le corps chaud et le corps froid.Dans un contexte conomique rel, la valeur de lnergie nest pas souvent gale sa valeurthermodynamique. En effet, Les activits humaines impliquent souvent de lnergie de faiblequalit, par exemple pour le chauffage rsidentiel et industriel et les procds industrielsncessitants de la chaleur. Ceci cre un besoin pour une nergie de faible qualit.Coventry a tudi diffrentes mthodes dvaluation de la valeur de lnergie pour un sys-tme PV/T basse temprature (environ 70 C) fonctionnant avec des cellules au siliciumspcialement conues pour des niveaux de concentration de 30x [26]. La figure 2.9 montre

    39

    The ratio is noticeably higher than when embodied emissions are not included, and favours renewable electricity generation to a greater extent. The reason is that the embodied emissions associated with a solar hot water system are high relative to the alternative, a conventional gas hot water system.

    3.5 Comparison of methods

    Figure 3-3: Summary of sample electrical-to-thermal ratios developed in this chapter.

    As figure 3-3 demonstrates, the range of energy value ratios that could be used varies widely, from a lower value of 1, which could be used if the energy of the electricity and hot water was considered equally useful, to an upper value of 17, which could be used if the hot water output was to be used to produce electrical or mechanical work. In a commercial context, issues of cost cannot be ignored and therefore it is suggested that the most suitable method to provide a realistic energy value ratio for a PV/Thermal system is the renewable energy market method, which, for the case study described, gave an energy value ratio of 4.2. However this method is also most subject to variability, due to continued improvements in manufacturing technology leading to rapid price reductions, particularly for PV modules. Energy value ratios based on open market energy cost would make sense if there were absolutely no subsidies available for renewable energy, and if an appropriate penalty for GHG emissions were incorporated into fossil fuel prices. Energy value ratios based on displaced GHG emissions favour electricity even more than the other methods, due mainly to Australias GHG intensive electricity production. These ratios will vary substantially according to the fuel mix for electricity production in the particular location.

    The conclusion is that there is no simple answer for determining what energy value ratio should be used, rather the ratio should be a parameter selected for the circumstance applicable to a particular installation. The methodologies presented are intended to show how to work out the energy value ratio and provide guidance about what methodology to use for a particular application.

    Electrical-to-thermal ratio

    Energy

    Coal power station efficiency Renewable energy market

    Displaced GHG

    Displaced GHG life cycle emissions

    Exergy Open market energy

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

    Figure 2.9 Valeur relative de lnergie pour un systme PV/T fonctionnant 70 C avec des cellules au silicium [26].les rsultats de ces travaux visant associer une valeur raliste lnergie thermique.Les diffrentes mthodes de calcul conomique prennent en compte diffrents facteurscomme les tonnes de gaz effet de serre non mises (Displaced GHC ) et les subven-tions gouvernementales (Renewable Energy Market). Ces mthodes produisent un ratiolectrique/thermique diffrent. Cest ce dernier qui dfini quel point lnergie thermiquepossde une valeur similaire ou diffrente de lnergie lectrique. Ainsi, dans le cas duncalcul par la mthode de lexergie, il faudrait environ 16,8 fois plus dnergie thermiqueque dlectricit pour obtenir une valeur quivalente pour ces conditions de fonctionnementspcifiques. La valeur totale de lensemble de lnergie produite par le systme est donnepar lquation 2.3 o Qth est lnergie thermique, Qelec est lnergie lectrique et Qelec.eqest lnergie quivalente.

    Qelec.eq = Qth[Energy value ratio] +Qelec (2.3)16

  • Aux yeux de lauteur, la mthode Renewable energy market est la plus raliste. Laprise en compte de la valeur de lnergie de cette manire permet doptimiser un systmeen maximisant le rendement conomique au lieu du rendement de conversion exergtique.2.3.2 Les systmes PV/T existants

    Il existe diffrents types de systmes PV/T. Charalambous et al. [27] et Hasan etSumathy [28] ont recens les types principaux : les collecteurs solaires fluide liquide, lescollecteurs air et les collecteurs concentration. Les deux premiers ne concentrent pas lerayonnement solaire et sont gnralement destins au march rsidentiel. En effet, la faibleintensit du rayonnement fait en sorte que la chaleur gnre est de basse temprature etpeut difficilement tre utilise pour autre chose que de suppler un systme de chauffageconventionnel.Les systmes concentration focalisent les rayons sur une petite surface. La concentrationpeut tre ralise de diffrentes manires, les principales tant les miroirs paraboliques, leslentilles de Fresnel et les concentrateurs de Fresnel. La diffrence entre ces deux derniersest simplement que la lentille concentre par rfraction alors que le concentrateur concentrepar rflexion. Dans les deux cas, il sagit dune srie de surfaces planes suffisamment petitespour approximer une surface thorique optimale. Les miroirs paraboliques sont quant euxcomposs dune surface rflchissante ayant une forme parabolique. Des rayons paralllesincidents sont rflchis sur un point focal tel que dmontr la figure 2.10.

    Figure 2.10 Phnomne de concentration des rayons sur un miroir para-bolique [29].Les collecteurs concentration peuvent se diviser en deux groupes : les configurations ola cellule est en contact direct avec le capteur thermique et celle o la cellule nest pas en

    17

  • contact avec le capteur thermique. Ces derniers sont le plus souvent raliss par sparationspectrale du faisceau.Les systmes contact direct

    Les systmes contact direct peuvent tre schmatiss par la figure 2.11. Une portion duflux Gnet non converti en GPV peut tre rcupr par un autre systme. Ainsi, un systmeGrefGnet

    GtrGabs GPV

    Figure 2.11 Irradiation dune cellule photovoltaque par un flux radiatifnet Gnet . Ce flux est en partie rflchi (Gref ), en partie absorb sous formednergie thermique (Gabs) et sous forme dnergie lectrique (GPV ) et enpartie transmis sous forme de rayonnement lectromagntique (Gtr).de rcupration dnergie thermique positionn de manire judicieuse peut capter le fluxGabs et Gtr . Les paramtres principaux qui permettent dinfluencer la distribution du fluxnet entre les diffrents autres flux sont lnergie de bande interdite (impact direct sur Gtr etGabs), le rendement de conversion photovoltaque (impact direct sur GPV ) et la rflectivitde la surface (influence directement Gref ).La plupart des systmes contact direct fonctionnent basse temprature, lobjectif tantdonc de maximiser la conversion PV. Ainsi, des systmes faible concentration utilisantle principe de concentrateur parabolique compos [28] ont t proposs. dautres systmes concentrateurs de Fresnel ont t tudis notamment par Rosell et al. [30]. Lorsque lacellule est en contact direct avec le fluide, Rosell et al. ont montr par simulation que laconductivit thermique de linterface entre la cellule et le fluide est un paramtre critique la performance globale du systme.Un systme PV/T contact direct haute temprature na pas encore t ralis mal-gr une tude par Vorobiev et al. [31] qui montre que le rendement exergtique global dusystme peut atteindre un maximum de 26 % autour de 200 C si le systme de conver-sion thermique/lectrique possde un rendement de 0, 6carnot , o carnot est le rendementexergtique dune machine thermique idale.

    18

  • Les systmes sparation spectrale

    Plusieurs systmes de sparation du rayonnement en fonction de la longueur donde ontdj t proposs et sont recenss par Imenes et Mills [32]. Le principe de sparation duspectre solaire est reprsent la figure 2.12. Lide est de diriger la partie du spectre

    2. The beam splitting concept

    Photothermal processes tend to convert solar energy to heat with an efciency thatis relatively constant over the solar spectrum, depending only on the opticalproperties of the window and/or coating of the thermal receiver employed.Photovoltaic conversion, on the other hand, is highly wavelength-dependent andmost efcient when converting photons of energies close to the PV cell band-gapenergy. Photons below the band-gap energy pass through the active area of the cellwithout being absorbed, and are ultimately dissipated as heat in other parts of thecell. Photons of energy larger than the band-gap can only be partly utilized, and theremainder of their energy is also dissipated as heat.Because of these factors, an optimal method of using solar cells is to direct onto

    them only the part of the solar spectrum for which high conversion efciency can beachieved, and to recover the radiation outside this range by diverting it to a secondreceiver, i.e., thermal, chemical, or a different PV band-gap receiver. This is theunderlying concept of PV/thermal solar hybrid systems, where the incident beam issplit into PV and thermal spectral components as illustrated in Fig. 2.Several ltering techniques for PV cells have been described in the literature; the

    main categories include all-dielectric and metal-dielectric multilayer lters [13], heatreectors [4,5], refraction or prism spectrum splitting [68], holographic lters [911],uorescent methods [1214], and liquid absorption lters [3,15,16]. In PV-onlysystems, ltering techniques can be carried out using either the tandem-cell approachin which two or more solar cells of different semiconductor materials aremechanically or monolithically stacked in series and arranged in order of decreasingenergy band-gap [1719], or the spectrum splitting approach in which an optical lterseparates the light into spectral components directed onto individual cells of differentband-gap energies [2022].

    ARTICLE IN PRESS

    PVPV

    1200120010001000

    800800600600400400200200

    00.00.0 1.01.0 2.02.0 3.03.0 4.04.0

    Wavelength (m)

    Thermal

    Irrad

    iatio

    n (W

    /m2 /

    m)

    Fig. 2. Splitting the solar spectrum into components for PV and thermal energy conversion.

    A.G. Imenes, D.R. Mills / Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (2004) 1969 21

    Figure 2.12 Sparation du spectre en diffrentes longueurs donde [32].qui est le plus efficacement utilis par une cellule PV vers cette dernire et le restevers un capteur thermique. La sparation du spectre peut tre effectue de diffrentesmanires. Puisque Imenes et Mills ont prsent un grand nombre de mthodes, seulesles mthodes ayant le plus dintrts dans le cadre dune utilisation avec des miroirscylindro-paraboliques seront prsentes.Dans le premier type de systme, un fluide caloporteur peut absorber une partie du spectresi ce dernier scoule dans un tube transparent aux longueurs donde devant atteindre lacellule PV. Une partie du rayonnement traverse ainsi le fluide pour se rendre la cellulepositionne de lautre ct (voir la figure 2.13).Le second type de systme repose une sparation slective du spectre par un filtre posi-tionn devant un capteur aux alentours du point focal dun concentrateur parabolique. Lefiltre peut prendre la forme dune lentille plan convexe positionne devant la point focal(voir la figure 2.14), dune lentille plan concave positionne derrire le point focal ou dunfiltre couches minces o le capteur serait positionn directement au point focal.

    19

  • disposed adjacent to the cells to maximize the intensity and uniformity of solar ux.The allowable pointing errors will nevertheless have to be kept to a minimum inorder to maximize collection efciency. The two-lens arrangement was chosen toprovide high concentration at a reasonably low manufacture cost; however, becausemultiple cell sub-array lines are required instead of the single line in a system withouta prism, the practical efciency increase must be very high to offset the extra PV costas this can be severe when using non-silicon cells in a line focus system. Furtherconsiderations include the assumption that each row of identical band-gap PV cellsshould be of a different height, and inefciencies that may be caused by gaps betweencells and shadowing by electrical contacts.Absorption lters typically consist of a liquid contained within a transparent glass

    tube or channelled through thin glass plates. The liquid selectively absorbs thewavelengths not utilized by the PV cell and converts the energy to heat, which istransported away by the liquid lter itself. As long as the liquid is not in contact withthe solar cell, reasonably high efciencies may be attained since the maximumallowable temperature is not constrained by the operation of the PV cell [3,15,16,85].For space applications, Powell [86] proposed a foldable parabolic trough reector

    system with concentration of radiation onto a tubular thermal receiver containing aliquid absorption lter. The collected thermal energy would be used in a heat engineor for a heat load supply. The radiation not absorbed by the lter was transmittedthrough to a PV receiver, as shown in Fig. 13. The circulating liquid contained ascattering agent, e.g., small glass micro-spheres suspended in the uid, to providemore uniform ux incident on the PV cell. This solution would however requiresome means of redirecting the scattered light onto the surface of the PV cell, andback-scattered light would be lost.Sabry et al. [16] performed systems simulations to identify the ideal liquid

    absorption lter characteristics for operation with a Si concentrator cell. Theoptimum lter was found to have a transmission range of 450920 nm, equivalent to59% of the incident energy at AM1.5 spectrum. The ideal lter resulted in a 30%predicted increase in cell efciency compared to an unltered cell under 7 sunsconcentration, accompanied by a potential thermal gain of up to 40% from theliquid absorption lter. The temperature of the thermal component was notdiscussed by the authors, and for a complete analysis it would be necessary to takeinto account the effects of thermal losses, pump power, lter reection losses andnon-ideal absorption.

    ARTICLE IN PRESS

    PV receiver

    Concentratedsunlight

    Liquidabsorptionfilter

    Thermalreceiver

    Fig. 13. PV cell receiver with liquid absorption lter [86].

    A.G. Imenes, D.R. Mills / Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (2004) 196934

    Figure 2.13 Absorption slective et transmission vers la cellule [32].

    manner analogous to a re-extinguishing sprinkler system or an electrical conduitdistribution system.The light is collected by a two-axis tracking Cassegrainian concentrator mounted

    on the roof of the building. A cold mirror splits off the visible light, which is focusedonto optical bres for distribution into the building interior. Infrared radiation istransmitted to low bandgap GaSb cells for electricity production, as illustrated inFig. 22. Fraas et al. [129] demonstrate that each Watt of visible sunlight may displacetwo Watts of electricity which otherwise would be used for uorescent lighting andair conditioning. The high economic value of solar lighting results from the fact thatthere are more lumens per Watt in ltered sunlight than in uorescent lighting. Withthe added value of the electricity produced by the GaSb cell array, the operatingefciency of the hybrid system will be in the range of 2030% [127].However, it will be difcult for the rather complex system of solar concentrators,

    optical bre network, back-up power, and control mechanisms to compete with therapid development of light-emitting diodes, which may offer a versatile, reliable andenergy-efcient lighting system of low potential cost. An alternative usage of thevisible part of the spectrum is for plant growth [131,132] by routing photosynthe-tically active radiation into a plant growth chamber, or utilization in a hybrid solarphotobioreactor of the type used to mitigate CO2 at power plants [133].Several Cassegrainian cogeneration systems of the same basic design as shown in

    Fig. 22 have been suggested in the literature [129,133135]. Common for thesesystems is the use of a reective paraboloidal mirror producing a highly concentratedbeam, and a Cassegrainian or Gregorian lens, positioned in front of or behind thefocal point, respectively, that splits the beam by transmission and reection ofselected wavelength components.In the system proposed by Lasich et al. [135], visible light is transmitted to a PV

    receiver placed in the focal region of the dish, while infrared energy is reected into alight guide and redirected to a second thermal, chemical, or low-bandgap PVreceiver. The system was successfully demonstrated in an experimental set-upcomprising a 1.5m diameter paraboloidal dish reector, a 10-cell silicon PV moduleoperating at 30C, and a thermal receiver operating at 1100C. The PV array

    ARTICLE IN PRESS

    Light guide receiver

    IR radiationGaSb cells

    Visible light

    Fig. 22. Cassegrainian hybrid PV and lighting system [127132].

    A.G. Imenes, D.R. Mills / Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (2004) 196948

    Figure 2.14 Utilisation dune lentille plan convexe pour sparer lespectre [32].

    20

  • Dans le cas des lentilles, la sparation spectrale se fait par rfraction et rflexion lin-trieur de la lentille. Lasich et al. a dvelopp un systme hybride PV/T lentille planconcave qui utilise des cellules au silicium combin un collecteur thermique fonctionnant 1100 C [33]. une concentration de 282x, les cellules Si produisent 167 W pour un ren-dement nergtique de 18,8 % et le systme thermique produit 137 W pour un rendementnergtique de 13,4 %. Lauteur mentionne une efficacit globale de 31,8 % sans mentionnerla mthode de calcul.Jiang et al. a quant lui tudi le comportement dun systme PV/T compos dun filtre couches minces en forme dhyperbole positionn devant un capteur thermique [34]. Avec cesystme, il est possible de rduire lchauffement de la cellule de 20,7 % tout en gnrantde lnergie thermique de 250 300 C. Une autre proposition par Segal et al. est dutiliserun filtre passe-bande compos dun quartz recouvert dune mince couche dilectrique [35].Le facteur limitant la mise en uvre de la plupart des systmes de sparation spectralepar filtre est le cot associ la fabrication dun filtre efficace et de forme appropri.Ceci est dautant plus vrai si le focus est une droite comme dans le cas de concentrateurscylindro-paraboliques.

    21

  • CHAPITRE 3

    Dnition du projet

    Lentreprise Rackam conoit, fabrique et installe des centrales solaires thermiques cap-teurs cylindro-paraboliques. Ces systmes concentrent le rayonnement solaire sur un tube lintrieur duquel circule un fluide caloporteur. Ceci permet de transformer le rayonnementsolaire en nergie thermique utile. Typiquement, la temprature du fluide atteint 220 C la sortie de la centrale et lensemble du procd est optimis pour cette temprature defonctionnement.3.1 Problmatique

    Une centrale hybride aurait le potentiel de produire une plus grande quantit dnergie etainsi rendre le systme dans son ensemble plus efficace. Ces modules permettraient la g-nration dlectricit directement partir du rayonnement et la portion non convertie seraitrcupre en chaleur par la centrale. De plus RACKAM, dans ses plans dimplanter descentrales solaires dans le Grand Nord Qubcois, dsire galement tudier la performancede cellules photovoltaques basse temprature. Il nexiste aucune contrainte spcifiquequant aux matriaux semi-conducteurs utiliss. Ainsi, la technologie optimale sera choisiesur les bases suivantes : minimisation du cot de llectricit produite et facilit dintgra-tion sur le concept de centrales dj existant.Ltat de lart a rvl que peu dinformation est disponible sur la performance des cellulessolaires trs haute et trs basse temprature et soumises ou non un rayonnement solairefaiblement concentr. En effet, bien que quelques donnes soient disponibles concernantles cellules au silicium cristallin, trs peu dinformations pertinentes existe concernantla performance de cellules de types CdTe, CIGS et des cellules de type III-V hautetemprature (220 C). Ces matriaux ont tous un potentiel de performance intressant. Uneconnaissance approfondie des paramtres de performances ces conditions est ncessaireafin de choisir judicieusement le matriau semi-conducteur privilgier.Les considrations ci-dessus permettent de poser le problme sous forme de question derecherche qui peut tre formule comme suit :

    22

  • Quels type de cellules solaires possdent le rapport de cot parunit de puissance produite le plus faible haute (220 C) et basse(-40 C) temprature ?3.2 Objectifs

    Afin de dterminer le matriau appropri selon les critres mentionns ci-haut, il serancessaire de connatre les performances de cellules photovoltaques de type mono c-Si etp-Si, a-Si, CdTe, CIGS et des cellules de type III-V. Objectif principal :Dterminer linfluence de la temprature sur le rendement de conversion de diffrentstypes de cellules photovoltaques.

    Objectifs spcifiques :1. Prdiction thorique de la performance des diffrents matriaux selon des mo-dles physiques simplifis ;2. Caractrisation exprimentale du rendement des diffrents matriaux sur laplage -40 300 C ;

    23

  • CHAPITRE 4

    Mthodologie

    4.1 Approche gnrale

    Ltat de lart a rvl que la plupart des types de cellules photovoltaques possdent uncoefficient de temprature ngatif pour le rendement de conversion des tempraturesavoisinantes de la temprature ambiante. Cela signifie que le rendement diminue lorsquela temprature de fonctionnement augmente. haute temprature, le mme comportementest prvu mais limportance de la perte de performance est inconnue. Un modle thoriquepermettra destimer le rendement haute temprature pour diffrents matriaux. La valeurprcise de diminution de rendement sera quant elle caractrise exprimentalement. Lamme situation se retrouve aux basses tempratures et une caractrisation exprimentalede diffrents matriaux permettra de connatre prcisment la variation de performanceavec la temprature. Dune manire plus prcise, il est probable quune augmentation detemprature de fonctionnement engendre une rduction importante de la tension de circuitouvert et une lgre augmentation du courant de court-circuit ISC . Leffet net sera alors unerduction de la puissance maximale et donc du rendement.Le modle thorique sera bas sur les quations rgissant le comportement dune diode. Eneffet, une cellule PV est fondamentalement trs similaire une diode standard et les mmequations de fonctionnement peuvent sappliquer. Cette modlisation permettra principale-ment de dcouvrir si des phnomnes physiques prsents haute ou basse temprature nesont pas pris en compte par les modles classiques gnralement utiliss pour reprsenterune cellule PV. Ainsi, si le modle savre efficace sur une large plage de tempratures,ce dernier pourrait tre utilis pour la conception de systmes PV fonctionnant des tem-pratures extrmes. Si linverse il ne correspond pas aux mesures exprimentales, denouvelles pistes de recherches pourraient souvrir afin de comprendre le comportement ces tempratures.Il existe un autre phnomne qui risque de se produire et qui sera dcel par les exp-rimentations. Les cellules PV qui seront testes ne seront pour la plupart pas conuesspcifiquement pour fonctionner haute temprature. Ainsi, les contacts mtalliques per-mettant de transporter les charges lectriques peuvent tre fabriqus partir dun matriau faible point de fusion et ainsi possder un comportement non prvisible haute tempra-

    24

  • ture. titre dexemple, les contacts pourraient fondre et la cellule arrterait de fonctionnerimmdiatement.Ltat de lart a galement rvl que pour des niveaux de concentration sous 50x, lerendement de la plupart des types de cellules PV est approximativement proportionnel aulogarithme de lintensit dirradiation. Pour cette raison, la caractrisation exprimentalesera effectue un seul niveau dirradiation. La performance dautres niveaux dirradiationpourra ensuite tre estime pour des niveaux de concentration allant jusqu 50x.Les travaux de recherche seront donc diviss en deux grandes sections inspires des ob-jectifs spcifiques : la prdiction des rsultats attendus laide dun modle simplifi et lamesure exprimentale.4.2 Prdiction thorique des performances

    Un modle simple de diode tel que reprsent par la figure 4.1 sera utilis pour dcrire lecomportement dune cellule PV simple jonction. Dautres modles plus complexes prennenten compte le fait que le courant de recombinaison dans la zone de dpltion prsenteune dpendance diffrente sur la tension que le courant de recombinaison dans les zonesneutres [4, 13]. Ces modles sont gnralement reprsents par deux diodes en parallles la figure 4.1.

    JoJph RpRs

    VFigure 4.1 Schma du circuit quivalent dune cellule photovoltaque. Jphest la densit du photo-courant, Jo est la densit du courant de saturationinverse, V est la tension aux bornes de la cellule, Rp est la rsistanceparallle et Rs est la rsistance srie.

    En guise de premire approximation, le spectre considr sera le spectre standad ASTMAM1.5D [36]. Lors de la comparaison du modle avec les mesures exprimentales, le spectrerel auquel les cellules taient soumises sera considr. Lensemble des calculs sera effec-tu sous MATLAB avec une licence du laboratoire dpitaxie avance (LA).25

  • 4.3 Caractrisation exprimentale des performances

    La caractrisation exprimentale devra permettre de tirer des conclusions quant au fonc-tionnement des cellules dans un environnement rel. Ainsi, un banc dessais sera conu etfabriqu afin de contrler les paramtres importants. Les caractristiques importantes dubanc sont : La cellule doit tre soumise un rayonnement possdant un spectre similaire celuidu soleil ; La temprature de la cellule doit tre contrle prcisment de -40 300 C ; La cellule doit tre solidement maintenue en place afin dviter les erreurs de posi-tionnement ; Les mesures du courant et de la tension doivent tre prcises.4.3.1 Le banc d'essais

    La premire contrainte sera satisfaite en utilisant une lampe Oriel arc possdant unspectre similaire au spectre AM1.5D. Cette lampe est actuelle disponible au CRN2 et prte tre utilise. Le contrle de la temprature et le maintient de la cellule seront assurspar un systme qui sera conu spcifiquement pour cette application. Ce systme sassureragalement duniformiser la temprature la surface de la cellule. Finalement, les mesuresde courant et de tension seront assures par un systme Keithley 6514 disponible auCMI-LN2. Ce systme de mesure sera directement connect un ordinateur pour procder lacquisition des donnes laide du logiciel LabView. Lappareil de mesure Keithley estspcifiquement conu pour des mesures trs faible courants et tensions ce qui rend sonexactitude excellente. Les sondes de courant et de temprature seront conu de manire sassurer de minimiser la rsistance de contact et ainsi amliorer la fidlit des mesures.4.3.2 Essais raliser

    Plusieurs sries dessais seront compltes. Au moins trois matriaux diffrents serontanalyss, soient le p-Si, le c-Si et un type de cellule III-V. Si lapprovisionnement ne posepas de problmes, le CdTe, le a-Si et le CIGS seront galement tests.Pour chaque matriau, une srie dessais sera ralise en faisant varier la temprature de lacellule de -40 300 C par incrments de 10 C tout en conservant lirradiation constante environ 1x. chacune des ces tempratures, linstrument Keithley 6514 sera utilis pour

    26

  • mesurer le courant et la tension aux bornes de la cellules. Ces mesures permettront deconnatre la variation de ISC , de VOC et du rendement avec la temprature.Une autre srie dexprimentations permettront de dterminer la variation de la rsistancesrie Rs et de la rsistance parallle Rp en fonction de la temprature. La mthode utilisesera celle prsente par Priyanka et al. o les rsistances peuvent tre dtermines partirde simples mesures IV [37]. La mthode permet galement de calculer dautres paramtresutiles au modle thorique comme le ideality factor et le courant de saturation inverse.tant donn la difficult dobtenir un grand nombre de cellules dun mme matriau pro-venant toutes dune gaufre diffrente et ainsi permettre un chantillonnage statistiquenon-biais, des cellules provenant dune seule source seront tests et le comportement entemprature observ sera suppos reprsenter le comportement de ce matriau.Puisque le projet est men en collaboration avec lentreprise RACKAM, une partie destravaux sera complts aux bureaux de lentreprise. Ces derniers sont situs dans le secteurBromptonville de la ville de Sherbrooke. Le dplacement ne sera donc pas un problmemajeur.Les travaux qui seront effectus chez Rackam sont principalement la construction du bancdessais et les mesures effectues sur les cellules. Le traitement des donnes et la rdactionde documents sera quant elle plutt complte luniversit.

    27

  • CHAPITRE 5

    Conclusion

    Le projet de recherche expos vise caractriser les performances de cellules photovol-taques de diffrents types de matriaux (silicium, CdTe, CIGS, matriaux III-V) sur uneplage de temprature allant de -40 300 C. Le projet comporte deux tapes principales :la caractrisation exprimentale laide dun banc dessais conu sur mesure et la mo-dlisation thorique. Laspect thorique du projet permettra principalement de dcouvrirsi des phnomnes physiques prsents haute ou basse temprature ne sont pas pris encompte par les modles classiques exposs prcdemment. Laspect exprimental vise quant lui lobtention de valeurs relles de performances partir desquelles les concepteurs desystmes PV pourront faire leurs calculs.Les rsultats anticips sont des valeurs prcises de puissance, tension et courant pour descellules de matriaux spcifi ci-haut et sur une plage de temprature de -40 300 C.Ces valeurs mettront en vidence les performances relles de cellules PV haute et bassetemprature. Elles permettront galement de dfinir le matriau le plus appropri pour unetemprature de fonctionnement spcifique. Les essais pourraient galement permettre dedfinir une temprature critique laquelle une cellule cesse compltement de fonctionner.Ces rsultats ne sont actuellement pas connus.Le projet de recherche ouvrira la porte au dveloppement de systmes solaires hybrides haute temprature. En effet, la connaissance du meilleur type de cellule et de ses per-formances permettra doptimiser un systme hybride photovoltaque/thermique pour ainsicrer un systme au rendement de conversion global plus lev que pour chaque systmepris sparment. Au final, cest le rendement conomique global qui dfinira le systmeayant le plus de chances de percer le march. Dans ce contexte, il sera subsquemmentncessaire dtudier dans le temps de la variation des performances haute tempraturepuisque les cellules pourraient par exemple vieillir et se dgrader.

    28

  • LISTE DES RFRENCES

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    31

    IntroductionLe cot de l'nergieLa conversion du rayonnement solaireDveloppement d'un capteur hybride : une collaboration RACKAM/CRN2

    tat de l'artLes cellules photovoltaquesLes matriaux semi-conducteursLa jonction P-NTypes de cellules photovoltaques et performancesCaractrisation des cellules PV

    Impact de la concentration et de la tempratureLimite intrinsque du matriautudes thoriques et exprimentales en tempratureInfluence du type de matriauInfluence du niveau de concentration

    Systmes photovoltaques/thermiqueLa valeur de l'nergieLes systmes PV/T existants

    Dfinition du projetProblmatiqueObjectifs

    MthodologieApproche gnralePrdiction thorique des performancesCaractrisation exprimentale des performancesLe banc d'essaisEssais raliser

    ConclusionLISTE DES RFRENCES