Composant diffractif numérique multispectral pour la concentration multifonctionnelle pour des dispositifs photovoltaïque de troisième génération

Multispectral digital diffractive element for smart sunlight concentration for third generation photovoltaïc devices

• Auteur / Autrice : Abbas Kamal Hasan Albarazanchi
• Direction : Patrick Meyrueis, Pierre Ambs, Philippe Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et image
• Date : Soutenance le 21/09/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul Montgomery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Serio, Dan Silviu Curticapean
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kevin Heggarty, Michel Aillerie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Diffraction

Matériaux optiques

Semiconducteurs -- Jonctions

Photopiles

Mots clés libres

Eléments Optiques Diffractifs (EOD)

Troisième génération de type multijonction des cellules photovoltaïques

Séparation du spectre et concentration du faisceau

Systèmes compacts de cellules solaires

Diffractive Optical Elements (DOE)

Third generation multijunction PV

Spectrum Splitting and Beam Concentration (SSBC)

Compact solar cell systems

Résumé

La lumière du soleil est un bon candidat comme source propre et abondante d'énergie renouvelable. Cette source d'énergie écocompatible peut être exploitée pour répondre aux besoins croissants en énergie du monde. Plusieurs générations de cellules photovoltaïques ont été utilisées pour convertir directement la lumière solaire en énergie électrique. La troisième génération de type multijonction des cellules photovoltaïques est caractérisée par un niveau d'efficacité plus élevé que celui de tous les autres types de cellules photovoltaïques. Des dispositifs optiques, tels que des concentrateurs optiques, des séparateurs optiques et des dispositifs optiques réalisant simultanément la séparation du spectre et la concentration du faisceau ont été utilisés dans des systèmes de cellules solaires. Récemment, les Eléments Optiques Diffractifs (EOD) font l'objet d'un intérêt soutenu en vue de leur utilisation dans la conception de systèmes optiques appliqués aux cellules photovoltaïques. Cette thèse est consacrée à la conception d'un EOD qui peut réaliser simultanément la séparation du spectre et la concentration du faisceau pour des cellules photovoltaïques de type multijonction latéral ou similaire. Les EOD qui ont été conçus ont une structure sous-longueur d'onde et fonctionnent en espace lointain pour implanter la double fonction séparation du spectre et concentration du faisceau. Pour cette raison, des outils de simulation ont été développés pour simuler le comportement du champ magnétique à l'intérieur de l'EOD à structure sous-longueur d'onde. De plus, un propagateur hybride rigoureux a aussi été développé, il est basé sur les deux théories de la diffraction, à savoir la théorie scalaire et la théorie rigoureuse. La méthode FDTD (Finite Difference Time Domain) ou méthode de différences finies dans le domaine temporel a été utilisée pour modéliser la propagation du champ magnétique en champ proche c'est-à-dire à l'intérieur et autour de l'EOD. La méthode ASM (Angular Spectrum Method) ou méthode à spectre angulaire a été utilisée pour modéliser de façon rigoureuse la propagation libre en champ lointain. Deux EOD différents ont été développés permettant d'implanter les fonctions souhaitées (séparation du spectre et concentration du faisceau) ; il s'agit d'une part d'un composant diffractif intitulé G-Fresnel (Grating and Fresnel lens) qui combine un réseau avec une lentille de Fresnel et d'autre part d'une lentille hors-axe. Les composants proposés réalisent la séparation du spectre en deux bandes pour une plage visible-proche infrarouge du spectre solaire. Ces deux bandes peuvent être absorbées et converties en énergie électrique par deux cellules photovoltaïques différentes et disposées latéralement par rapport à l'axe du système. Ces dispositifs permettent d'obtenir un faible facteur de concentration et une efficacité de diffraction théorique d'environ 70 % pour les deux bandes séparées. Grâce à une distance de focalisation faible, ces composants peuvent être intégrés dans des systèmes compacts de cellules solaires. La validation expérimentale du prototype fabriqué montre une bonne correspondance entre les performances expérimentales et le modèle théorique

Sunlight represents a good candidate for an abundant and clean source of renewable energy. This environmentally friendly energy source can be exploited to provide an answer to the increasing requirement of energy from the world. Several generations of photovoltaic cells have been successively used to convert sunlight directly into electrical energy. Third generation multijunction PV cells are characterized by the highest level of efficiency between all types of PV cells. Optical devices have been used in solar cell systems such as optical concentrators, optical splitters, and hybrid optical devices that achieve Spectrum Splitting and Beam Concentration (SSBC) simultaneously. Recently, diffractive optical elements (DOE’s) have attracted more attention for their smart use it in the design of optical devices for PV cells applications.This thesis was allocated to design a DOE that can achieve the SSBC functions for the benefit of the lateral multijunction PV cells or similar. The desired design DOE's have a subwavelength structure and operate in the far field to implement the target functions (i.e. SSBC). Therefore, some modelling tools have been developed which can be used to simulate the electromagnetic field behavior inside a specific DOE structure, in the range of subwavelength features. Furthermore, a rigorous hybrid propagator is developed that is based on both major diffraction theories (i.e. rigorous and scalar diffraction theory). The FDTD method was used to model the propagation of the electromagnetic field in the near field, i.e. inside and around a DOE, and the ASM method was used to model rigorously propagation in the free space far field.The proposed device required to implement the intended functions is based on two different DOE’s components; a G-Fresnel (i.e. Grating and Fresnel lens), and an off-axis lens. The proposed devices achieve the spectrum splitting for a Vis-NIR range of the solar spectrum into two bands. These two bands can be absorbed and converted into electrical energy by two different PV cells, which are laterally arranged. These devices are able to implement a low concentration factor of “concentrator PV cell systems”. These devices also allow achieving theoretically around 70 % of optical diffraction efficiency for the both separated bands. The impact distance is very small for the devices proposed, which allows the possibility to integrate these devices into compact solar cell systems. The experimental validation of the fabricated prototype appears to provide a good matching of the experimental performance with the theoretical model.