Thèse soutenue

Développement, fabrication et caractérisation de modules photovoltaïques à concentration à ultra haut rendement à base de micro-concentrateurs

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Arnaud Ritou
Direction : Olivier Raccurt
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique appliquée
Date : Soutenance le 22/11/2018
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Carole Deumié-Raviol
Examinateurs / Examinatrices : François Hénault, César Domínguez, Philippe Voarino
Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Colin, Alain Dollet

Résumé

FR  |  
EN

Les modules photovoltaïques à concentration (CPV) ont tendance à se miniaturiser. D’une part, la distance focale plus courte des optiques de concentration permet de réduire le besoin en matériaux pour l’assemblage du module ; et d’autre part, le rendement des modules est sensiblement meilleurs que ceux des modules CPV de taille normale. L’étude de chaque élément de la chaine de pertes dans la littérature des micro-concentrateurs a permis de confirmer cette tendance. Cette thèse aborde les problématiques de coût et de rendement à travers la conception optique d’un concentrateur à deux étages de lentilles, sa fabrication puis une étude approfondie de ses performances.La méthode de conception, développée à partir de lois d’optique géométrique et non-imageante, définit le profil des lentilles à λ=589nm en premiers lieux. Ensuite, une simulation par tracé de rayons permet d’optimiser ces lentilles pour l’ensemble du spectre solaire puis d’étudier l’impact de leur désalignement lors de la mise en module. Les limites des déplacements des éléments du module ainsi déterminées conditionnent la précision de sa fabrication. Dans notre cas, l’alignement est réalisé automatiquement par un jeu de repères mécaniques lors du moulage simultané des optiques primaires (POE) et des optiques secondaires (SOE). Contrairement aux procédés habituels, ce procédé de moulage innovant permet d’assembler un module en seulement trois étapes au lieu de cinq.Pour caractériser les micro-concentrateurs réalisés, une méthode de mesure du rapport module à cellule (CTM) est développée. Pour cela, le rendement des cellules est mesuré en simulateur solaire avant et après leur mise en module. Les cellules multi-jonctions mises en œuvre étant sensibles aux variations spectrales et spatiales de l’éclairement, la validation préalable de ces mesures est primordiale. En complément du CTM qui quantifie la somme des pertes introduites lors de la mise en module, d’autres mesures sont développées pour comprendre la chaine de perte plus en détails.Le dispositif étudié au cours de cette thèse utilise des cellules triple-jonction de 0,6 x 0,6mm² avec une concentration de 1000X et atteint un rendement de 29%. Le CTM est de 70% et l’analyse de la chaine de perte montre que le procédé inventé n’impacte pas ou peu les performances du module. De plus, la détermination de la chaine de perte montre que les pertes par réflexion et par absorption sont prédominantes, au même titre que les pertes dues à la diffusion des lentilles ainsi que les pertes dues aux non-uniformités d’éclairement sur la cellule.