Conception, prototypage et caractérisation de microsystèmes systèmes photovoltaïques à concentration à base de cellules solaires Cu (In, Ga) Se2

Design, prototyping and characterization of micro-concentrated photovoltaic systems based on Cu(In,Ga) Se2 solar cells

• Auteur / Autrice : Sébastien Jutteau
• Direction : Jean-François Guillemoles, Myriam Paire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/11/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche et développement sur l’énergie photovoltaïque (Chatou ; 2005-2018)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Cattoni, Philippe Blanc, Nadine Witkowski, César Domínguez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilles Lérondel, Christophe Moser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Systèmes photovoltaïques

Microtechniques

Mots clés libres

Photovoltaique

Cu(in,Ga)Se2

Microcellules

Conception optique

Concentration

Micro-Optique

Photovoltaic

Micro solar cells

Optical design

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié la conception, le prototypage et la caractérisation de microsystèmes photovoltaïques à concentration à base de cellules solaires Cu(In,Ga)Se2. L'objectif est de réduire l'utilisation de matériaux rares en utilisant la concentration de la lumière, et bénéficier des effets de la miniaturisation, comme la dissipation de la chaleur et des pertes résistives inférieurs. Tout d'abord, la conception optique des systèmes à concentration sur la base des microlentilles sphériques est présentée. À l'aide d'un logiciel de tracés de rayon Zemax OpticStudio, nous avons évalué la meilleure combinaison d'éléments, l'épaisseur et les rayons de courbure des lentilles, ainsi que les tolérances de fabrication et de positionnement du système. Un système optique de 1 mm d'épaisseur avec un rapport géométrique de 100 et une tolérance angulaire de +/- 3,5 ° a été conçu. D'autre part, des procédés de fabrication ont été créés et optimisés pour fabriquer un prototype de 5x5 cm² avec 2500 microcellules. Le meilleur mini-module a montré un facteur de concentration de 72x avec une augmentation en valeur absolue de l'efficacité de + 1,6%. Ensuite, des études numériques et expérimentales ont été réalisées sur des systèmes basés sur des concentrateurs luminescents (LSC) et des concentrateurs paraboliques (CPC). Les LSC ont montré un facteur de concentration faible et souffraient de problèmes de répétabilité tandis que les CPC sont une solution très efficace, mais très difficile à fabriquer à l¿échelle du micron. Enfin, nous avons développé un code MATLAB pour estimer l'énergie produite des systèmes conçus, pour évaluer la pertinence des choix technologiques futurs.

In this thesis, we studied the design, prototyping and characterization of micro-concentrated photovoltaic systems based on Cu(In,Ga)Se2 solar cells. The objective is to reduce the use of rare materials using the concentration of light, and benefit from the effect of miniaturization such as heat dissipation and lower resistive losses. First, the optical design of 1D and 2D concentrating systems based on spherical microlenses is presented. Using a ray-tracing software Zemax OpticStudio, we evaluated the best combination of elements, thickness and radii of curvature of the lenses, as well as the tolerances of fabrication and positioning of the system. An optical system of 1 mm thickness with a geometrical ratio of 100 and an angular tolerance of +/- 3.5° has been designed. Second, fabrication processes have been created and optimized to fabricate a 5x5 cm² prototypes with 2500 microcells. The best mini-module showed a concentration factor of 72x with an absolute increase of the efficiency of +1.6%. Third, numerical and experimental studies have been performed on concentrating systems based on Luminescent Solar Concentrators (LSC) and Compound Parabolic Concentrators (CPC). The LSC showed a low concentration factor and suffered from repeatability issues while the CPC is a very efficient solution but its specific geometry makes it difficult to fabricate at the micron scale. Finally, we developed a MATLAB code to estimate the producible energy of the designed systems, in order to evaluate the relevance of future technological choices that will be made.