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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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Clément REYNAUD : PhD - Projet Celsius, Marseille, France
INTRODUCTION
L’électricité photovoltaïque est unanimement considérée comme l’un des piliers de la transition énergétique nécessaire à la mitigation du changement climatique. En France, les différents rapports de projection sur le mixte électrique possible à l’horizon 2050 font ainsi état de proportions d’électricité photovoltaïque dans la production totale d’électricité allant de 13 à 36 % contre 2,8 % en 2020. Plusieurs leviers sont disponibles pour favoriser son développement, dont deux principaux :
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la réduction des coûts par effet d’échelle sur la production de technologies déjà matures ;
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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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- Version archivée 1 de août 2010 par Abdelilah SLAOUI
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2. Effet photovoltaïque : principe physique
L’effet photovoltaïque est une conséquence de l’interaction lumière-matière lors de laquelle des photons (provenant du soleil ou de tout autre source artificielle) provoquent l’excitation de charges électriques qui peuvent ensuite être collectées sous forme d’un courant continu.
Les atomes des matériaux semi-conducteurs utilisés à cette fin ont la particularité de disposer d’une bande de valence disjointe de la bande de conduction dans laquelle les charges peuvent se déplacer librement. Dans le cas du silicium, 4 électrons sont présents dans la bande de valence, et il faut leur fournir 1,1 eV (1,76e-18 J) d’énergie afin de promouvoir leur injection dans la bande de conduction où ils pourront participer à un courant électrique. Cette quantité d’énergie est appelée l’énergie de gap (ou bandgap) et varie d’un matériau à un autre. Les photons composant le rayonnement solaire ayant des énergies variant de 0 à 4 eV, seuls les photons d’énergie supérieure à l’énergie de gap pourront participer à la génération d’un courant, tandis que le matériau semi-conducteur sera transparent pour les photons d’énergie inférieure à l’énergie de gap.
Afin de parvenir à collecter les charges générées par cette interaction lumière-matière, il est impératif de créer un champ électrique dans la structure, qui force le flux de charges dans une direction donnée afin qu’il puisse être exploité. Cette condition est remplie grâce à un procédé appelé « dopage » consistant à créer deux zones de charges électriques opposées dans le matériau semi-conducteur. Dans l’une, un atome ayant 1 électron de plus dans la bande de valence que le matériau semi-conducteur (comme le phosphore qui a 5 électrons de valence contre 4 pour le silicium) est introduit dans le cristal. Le silicium n’étant capable de créer que 4 liaisons covalentes avec des atomes voisins, le surplus d’électrons de valence se traduit par l’apparition d’une charge libre supplémentaire. La zone ainsi traitée est dite « dopée N » : elle a un excès de charges électriques négatives 2.
On peut procéder de même avec un atome disposant d’un électron de moins dans sa bande de valence que le matériau...
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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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Article L. 523-1 du Code de l’environnement portant sur la déclaration obligatoire de l’utilisation de nanomatériaux.
HAUT DE PAGE
Method for randomly texturing a semiconductor substrate US9941445B2
HAUT DE PAGE3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Déclaration des substances à l’état nanoparticulaire sur le site du ministère de la Transition écologique :
HAUT DE PAGE3.2 Laboratoires (France et Europe)
Fraunhofer Institute für Solar Energie (Freiburg, Allemagne) :
https://www.ise.fraunhofer.de/
Institut photovoltaïque d’Île-de-France...
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