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Défis technologiques >> Energie solaire pour la transition énergétique
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Modèle des pertes énergétiques dû à l'encrassement des modules PV bifaciaux et à la diminution de l'albédo induite.

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Systèmes PV

Matériaux et innovations technologiques- Science génie des matériaux

01-10-2020

SL-DRT-20-0303

eric.pilat@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La génération d'énergie à partir des technologies solaires devient de plus en plus importante et en conséquence la prise en compte sérieuse d'un problème, l'encrassement. Aujourd'hui, l'unité de mesure n'est plus le Giga Wh mais le Tera Wh et, par conséquent, le plus petit pourcentage de pertes peut générer un déficit économique considérable. Afin de réduire le coût de l'énergie produite (LCOE), les acteurs cherchent à implanter leurs installations dans les régions les plus ensoleillées, arides et malheureusement souvent très poussiéreuses. Enfin une nouvelle technologie prometteuse de cellules PV, capables de capter les photons sur les deux faces a émergé récemment et nécessite de revoir fondamentalement l'approche salissure en prenant en particulier en compte les variations d'albédo du sol. Le contexte de l'étude est favorable, car motivée par un nombre croissant de brevets et d'articles, une forte pression sur les coût du nettoyage et de la consommation d'eau et de nouvelles applications comme l'agri-PV particulièrement sensibles. Le doctorant a pour objectif principal, le développements d'algorithmes de calcul de l'impact salissure à partir des caractéristiques des champs PV, des données mesurées sur les systèmes et en prenant en compte les paramètres environnementaux influents. il identifie les meilleures méthodes et instruments de mesure pour quantifier le taux de salissure. La difficulté scientifique réside dans la diversité des matériaux concernés et le challenge consiste à appréhender et reproduire de multiples phénomènes physico-chimiques en cause dans le processus d'accumulation de la salissure.

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Intégration en dispositifs tandem des cellules PV à contacts passivés : Vers une technologie d'interface multifonctionnelle et universelle.

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire HoMoJonction

M2 IA, cybersécurité

01-10-2020

SL-DRT-20-0758

thibaut.desrues@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Le sujet se place dans un contexte de développement de technologies de fabrication de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin (c-Si) à contacts passivés pour une application en dispositifs tandem. En effet, pour dépasser les limites de rendement de conversion des cellules c-Si conventionnelles à simple jonction, un axe de recherche concerne l'élaboration et la caractérisation de structures tandem (2 jonctions) dont le rendement peut dépasser 30%. Pour ces structures tandem, il est nécessaire d'optimiser les procédés de fabrication des cellules c-Si afin de favoriser la complémentarité et les performances des deux dispositifs (« bottom » et « top » cell). L'objectif principal du doctorat vise à développer des cellules c-Si adaptées aux applications tandem, et ce quelle que soit la technologie utilisée comme « topcell » (Pérovskite, CGS, III/V?). Ces cellules c-Si utiliseront des structures à base d'oxyde tunnel / Si poly-cristallin permettant d'une part de se passer de couches OTC (Oxydes Transparents Conducteurs) comme jonction de recombinaison et d'autre part d'obtenir une grande stabilité en température des dispositifs. Ce dernier point permet d'envisager des procédés de fabrication de la « topcell » à haute température. Le travail envisagé consistera globalement en: 1/ Un développement de couches minces et d'empilements optimisés pour les cellules c-Si à contacts passivés dédiées à des applications tandem 2/ La caractérisation des propriétés électriques et optiques des matériaux et structures élaborés. 3/ L'intégration des développements à une structure de cellule tandem fonctionnelle pouvant utiliser différentes technologies de « topcell »

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Étude du vieillissement des cellules solaires à base de pérovskites dans les environnements spatiaux : mécanisme de dégradation de l'absorbeur et optimisation des dispositifs

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Photovoltaïque à Concentration

Master de Recherche matériaux et/ou physique des particules

01-10-2020

SL-DRT-20-0800

romain.cariou@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Au cours des dernières décennies, le développement de cellules photovoltaïques de technologies alternatives au silicium cristallin a progressé selon deux axes : les couches minces inorganique (e.g. CdTe, CIGS) et les couches organiques. Jusqu'à très récemment, il n'existait pas de matériaux semi-conducteurs qui pouvaient à la fois être traités à basse température par voie humide et offrir des rendements suffisants pour concurrencer les technologies à base de silicium. Pourtant, en 2012, plusieurs travaux ont montré que la pérovskite d'halogénure métallique à base de plomb (ABX3, CH3NH3PbI3) pouvait répondre à toutes ces exigences [1]. Depuis, ces matériaux et dispositifs ont attiré un nombre considérable de recherches et le rendement de conversion a explosé [2]. Des performances record de plus de 25 % de rendement dans la configuration simple jonction sont désormais atteintes et des progrès constants ont été réalisés pour accroître la stabilité et la mise à l'échelle processus [3]. De plus, de par leurs excellentes propriétés d'absorption, les cellules solaires en pérovskite sont très minces par nature (< 1 µm de matériau photo-actif) et peuvent donc atteindre une puissance spécifique très élevée (< 20 W/g) [4] ; cela correspond à une augmentation de plus d'un ordre de grandeur par rapport à celle des cellules en silicium à couche mince ou des cellules flexibles en GaAs à simple jonction. Des études récentes ont également montré l'excellente résilience de ce type de matériau photovoltaïque face à certains flux de particules chargées représentatifs de l'environnement spatial [5]. Grâce à leur puissance spécifique et à leur tenue aux radiations élevées, et à leur procédés de fabrication bas coût, les cellules pérovskites peuvent changer la donne pour les applications photovoltaïques spatiales pour lesquelles les triples jonctions III-V, massives et coûteuses, sont la norme depuis ~ 20 ans. Dans cette optique, la compréhension des mécanismes de dégradation déclenchés par les conditions spatiales - particules chargées, photons UV profonds et cycles de température - est d'une importance primordiale pour identifier les matériaux et l'architecture des dispositifs qui offrent des performances élevées en fin de vie. Les principaux objectifs de ce doctorat seront alors de : - Comprendre le mécanisme de dégradation des matériaux pérovskites et des dispositifs associés dans l'environnement spatial - Ajuster les compositions de pérovskite pour optimiser leur comportement (efficacité et stabilité) dans de telles conditions - Développer des dispositifs spécifiques (par exemple, des matériaux et des architectures) pour maintenir une densité de puissance élevée jusqu'à leur fin de vie. Pour atteindre ces objectifs, ce travail de doctorat passera par des étapes définies : revue bibliographique, fabrication et caractérisation de cellules solaires, vieillissement des matériaux/dispositifs dans les conditions représentatives spatiales et caractérisation des propriétés finales. Ces étapes peuvent être appliquées de manière itératives. Ce travail de thèse expérimental sera mené sur les installations du CEA-INES (Le Bourget du Lac, FR) et de l'ONERA (Toulouse, FR). Références: 1 M.M. Lee et al., Science 338, 643 (2012). 2 M.A. Green et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 28, 3 (2020). 3 A. Extance, Nature 570, 429 (2019). 4 M. Kaltenbrunner et al., Nat. Mater. 14, 1032 (2015). 5 F. Lang et al., Adv. Mater. 28, 8726 (2016).

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Elaboration et caractérisation de cellules solaires tandems silicium / pérovskite en architecture inverse (PIN/PIN)

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Modules Photovoltaïques Organiques

Master science des matériaux, physico-chimie, physique

01-09-2020

SL-DRT-20-0823

muriel.matheron@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Les cellules solaires photovoltaïques tandems silicium/pérovskite sont une approche très prometteuse pour augmenter les rendements des cellules solaires photovoltaïques. La quasi-totalité des rendements records (jusqu'à 28%) pour les tandems 2T (2 terminaux : cellules en série) ont étés obtenus dans l'architecture PIN. Cette dernière permet de minimiser l'impact de l'absorption parasite liée à la plupart des couches P existantes et ouvre de nouvelles opportunités comme l'utilisation de silicium nano ou micro-cristallin, qui offrent des avantages en termes optiques. L'objectif de cette thèse sera de combiner les avancées sur les pérovskites simple jonction PIN et les jonctions tunnels (adaptées aux architectures PIN) développées au CEA-Liten dans ce cadre de deux précédentes thèses. Un focus important sera apporté sur la caractérisation avancée des couches et des tandems, afin d'identifier les limitations des dispositifs (mesures sous illumination variable et imagerie de photo et électroluminescence). Dans un premier temps, les architectures pérovskites PIN en simple jonction et les couches tunnel précédemment développées au CEA-Liten seront combinées et caractérisées. De nouvelles couches d'interconnection entre les deux sous-cellules seront envisagées, notamment par la modification chimique du silicium nano ou microcristallin pour minimiser l'épaisseur de la couche d'interconnection et faciliter l'intégration. Les caractérisations avancées appliquées à ces nouvelles structures devront permettre de conclure quant au bénéfice apporté par ces systèmes.

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Nouvelle technologie de convertisseurs DC/DC haut rendement à isolement galvanique intégré pour les réseaux moyenne tension DC

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Systèmes PV

Ingénieur grandes écoles Physique

01-06-2020

SL-DRT-20-0833

Stephane.CATELLANI@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Les sources primaires d'énergie électriques utilisées dans les systèmes à base d'énergies renouvelables sont à courant continu. Nous pouvons indiquer ci dessous, les principales caractéristiques en tension des sources en question : -Photovoltaïques (1.5 kVDC) -Systèmes de stockage d'énergie (800 V-1.5 kVDC) -Stacks EHT (950 VDC) -Batteries de véhicule électrique (800 VDC) D'autre part , les nouveaux réseaux de transport d'énergie sont à courant continu : -HVDC : 100 kVDC à 1.6 MVDC Certains systèmes d'alimentation ferroviaires sont également à courant continu : -Ferroviaire : 1.5 kVDC, 3 kVDC, projet de réseau expérimental SNCF 10 kVDC Des architectures avec collecteur DC sont prévues dans les applications suivantes : -Distribution d'énergie dans les stations de recharge pour les véhicules électriques -Réseaux de bord des engins de propulsion navale -Chaînes de conversion électrique des engins de traction ferroviaire électrique -Production d'énergie photovoltaïque -Stockage stationnaire d'énergie électrique L'objectif de ce travail de thèse sera d'obtenir une brique de convertisseur DC/DC modulaire compatible avec les niveaux de tension délivrés par les sources d'ENR et permettant d'injecter sur de la moyenne tension DC. L'isolement électrique des sources primaires sera inchangé : il faudra donc apporter, pour assurer l'isolement des sources, une technologies de transformateur à très haut rendement (>99.5%), intégré dans les étages de conversion statique. -L'injection pourra se faire sur un réseau DC 9 kV (réseau expérimental SNCF) -L'électronique de puissance sera réalisée avec des semiconducteurs HT SiC dont les performances actuelles sont très supérieures à des équivalents Si. Le DTNM apportera son expertise sur les matériaux magnétiques pour le dimensionnement du transformateur intégré dans les étages de conversion.

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SMARTSOL-SiMulAtion dynamique et contRôle d'un réacteur conTinu pour la production de carburants SOLaires

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire des Systèmes Solaires et Thermodynamiques

Genie des procédés, Modélisation des procédés dynamiques

01-10-2020

SL-DRT-20-0989

nathalie.dupassieux@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans la problématique de la valorisation de l'énergie solaire sous forme de vecteur énergétique stockable et/ou transportable. Pour ce faire les procédés dits de thermochimie solaires, associant des technologies de concentration du rayonnement et des conversions thermochimiques de matières carbonées renouvelables ou déchets ont été retenus. Les réacteurs étudiés mettent en ?uvre de réactions endothermiques, réactions qui conduites sous apports thermiques solaires engendrent des produits dans lesquels l'énergie solaire est stockée sous forme chimique. Pour la mise en ?uvre des réacteurs de SOLAR-FUEL étudiés dans des travaux précédents (thèses, projets Carnot et européens), subsiste un verrou majeur pour le déploiement industriel lié à la nature variable de la ressource solaire qui ne permet pas a priori d'opérer de manière continu. L'objectif du projet est de proposer un procédé hybride (ressource carbonée/solaire) capable de produire en continu un solaire carburant renouvelable. Le travail de recherche s'appuiera à la fois la simulation dynamique afin d'assurer un contrôle optimal du dispositif en fonction de la ressource solaire disponible et sur une validation expérimentale. Le bilan énergétique et environnemental sera également étudié.

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Modélisations, caractérisations et optimisations du transport électronique aux interfaces des cellules PV à contacts passivants

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire HETerojonction

Physique des semiconducteurs, dispositifs photovoltaïques

01-10-2020

SL-DRT-20-1015

wilfried.favre@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Réduire les pertes résistives dans les cellules PV est un levier majeur pour atteindre les rendements ultimes. Les acteurs majeurs du PV tentent de qualifier ces pertes aux différentes interfaces des dispositifs mais il n'existe pas encore de consensus pour caractériser et modéliser ces pertes de façon fiable operando: nombreuses stratégies pour la fabrication des véhicules de tests (trop éloignées du procédé cellule) et leur caractérisation (structures transverses, planaires, à l'obscurité). Ce travail s'articule autour de deux tâches principales: (i) établir une méthodologie de référence pour analyser et quantifier les pertes résistives dans les cellules PV à l'aide d'un dispositif de caractérisation innovant. (ii) développer et valider un modèle physique des interfaces et contacts. Ces nouvelles connaissances permettront d'optimiser les cellules PV silicium en fonction des conditions d'éclairement et de température, mais aussi la collecte et recombinaison des charges dans les cellules tandem.

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Mécanismes d'interaction de l'hydrogène avec les défauts de volume du silicium et d'interface dans les contacts passivés des cellules PV

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire HoMoJonction

Matériaux / Physique du solide

01-10-2020

SL-DRT-20-1018

raphael.cabal@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Bien que fluctuant, le marché du photovoltaïque est toujours dominé par les technologies silicium occupant ~94 %. Les architectures de cellule homo-jonction les plus prometteuses intègrent systématiquement un contact dit « passivé » à travers un empilement de silicium poly-cristallin sur oxyde tunnel. L'hydrogénation de telles structures permet d'atteindre des rendements très performants >25%. Néanmoins, l'introduction d'hydrogène peut également mener par des effets d'accumulation aux interfaces à la délamination des couches ou à des pertes résistives dégradant significativement l'efficacité du dispositif final. Pour éviter ses effets et développer ce type de structure avec les rendements associés, il est primordial de comprendre les interactions de l'hydrogène mises en jeu et de comprendre son rôle dans les phénomènes de passivation. Cependant, l'hydrogène est un élément extrêmement difficile à caractériser de par sa nature même. Sa caractérisation représente donc un réel challenge, auquel s'ajoutent les difficultés liées à l'état de surface texturée du silicium solaire et à la configuration des interfaces poly-Si/SiOx/Si. Pour répondre à ce défi, le travail proposé ici sera de mettre en ?uvre et corréler les techniques de caractérisation, permettant à la fois de localiser et quantifier l'hydrogène dans le volume du silicium et aux interfaces des structures de contact passivés. La mise en place d'une méthodologie de caractérisation mènera à l'objectif majeur de la thèse qui est de proposer des mécanismes d'interaction de l'hydrogène avec les défauts et son rôle dans la qualité des contacts passivés. Cela permettra d'ouvrir des perspectives pour le développement et l'optimisation des structures à contact passivé. Cette étude bénéficiera de l'infrastructure de réalisation des échantillons du CEA-LITEN à INES et des moyens de caractérisation de la plateforme de nano-caractérisation avec son environnement d'experts.

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Végé-voltaïque : Approche solaire pour la conception d'un quartier vert : Optimisation du couplage entre le solaire photovoltaïque et la végétation à différentes échelles

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire enveloppe et Intégration du PhotoVoltaïque

Ingénieur Génie Civil, Génie Energétique, Généraliste, Matériaux, Science du vivant

01-10-2020

SL-DRT-20-1046

ya-brigitte.assoa@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

L'atteinte des objectifs énergétiques européens demande la conception de quartiers plus verts, donc leur végétalisation, mais aussi l'intégration d'énergies renouvelables telles que le solaire photovoltaïque. Un agencement optimal de ces deux éléments est indispensable avec la densification urbaine suivant leurs contraintes spécifiques, parfois en conflit, pour un bon rendement énergétique et de croissance (occupation de superficies au sol ou sur le bâtiment, conditions météorologiques?). Cette thèse a pour objectif une analyse approfondie des critères de dimensionnement d'installations solaires et des plants de végétation permettant leur symbiose dans le paysage urbain. Le travail consistera en l'étude numérique et expérimentale à différentes échelles (bâtiment et au sol) de solutions optimisant le choix de la technologie photovoltaïque selon le type de plantes et l'impact visé sur leur vitesse de croissance et leur durée de vie, ainsi que leur disposition. Une approche de conception optimisée du système basée sur la gestion des échanges thermiques (émissivité en face arrière) et optiques (transmission et réflexion du rayonnement solaire) entre le module photovoltaïque et les plantes environnantes sera définie. Un modèle thermique, électrique et optique validé suivant les solutions définies de dispositions du système module PV et plantes (bâtiment, au sol et sur structure support) sera proposé.

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Amélioration et compréhension de la tenue des générateurs solaires à base de cellule silicium sous environnement sévère

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire Photovoltaïque à Concentration

01-09-2020

SL-DRT-20-1061

philippe.voarino@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La thèse s'effectuera à l'interface de plusieurs laboratoires du Département des Technologies Solaire (DTS) du CEA situé au Bourget du Lac sur le campus de l'Institut National pour l'Energie Solaire (INES). L'objectif de cette thèse est d'améliorer la tenue aux conditions environnementales (radiations, e/H+, UV, cyclage thermique) des générateurs solaires spatiaux à base de cellules solaires silicium, et de mieux comprendre les mécanismes de dégradations cellules/matériaux associés. En contrôlant finement la fabrication des cellules (dopage, impureté, architecture, etc.) et des modules (Matériaux, épaisseur, architecture, piégeage optique, etc.), il est possible d'améliorer la performance des modules Silicium en fin de vie tout en conservant un prix (?/W) compétitif, inférieur de 1 à 3 ordre de grandeur à des modules III-V spatiaux.

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