Contribution à l’analyse du ratio de performance cell-to-module dans les technologies photovoltaïques à hétérojonction de silicium

Contribution to the investigation of cell-to-module performance ratios in advanced heterojunction silicon photovoltaic technologies

• Auteur / Autrice : Julien Eymard
• Direction : Raphaël Clerc, Mathieu Hébert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 02/04/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski-Cachopo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Despeisse, Eszter Voroshazi, Benjamin Commault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Seassal, Beat Ruhstaller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Module et cellule SHJ

Découpe de cellules solaires

Modèle optique à 4 fluxs

Cellule à module

Analyse des pertes

Encapsulant diffusant

Modélisation numérique

Photovoltaic

SHJ module & cell

Solar cell cutting

4-flux optical model

Cell-to-module

Loss analysis

Diffusive encapsulant

Numerical modeling

Résumé

Des modules photovoltaïques de meilleurs rendements sont envisageables en limitant les pertes de performance optiques et électroniques. Cette thèse est dédiée à la modélisation des modules PV constitués de cellules à hétérojonction de silicium. Il est nécessaire d’adapter les outils de modélisation existants pour considérer certaines spécificités de cette technologie, ainsi que certaines évolutions des architectures de module. Un modèle optique et électrique, principalement analytique, a été développé. Une classification standardisée des pertes de performance au sein du module a été définie à partir de travaux précédents de la littérature et enrichie. Deux postes de pertes sont analysés plus en détails. Le premier est électrique : afin de réduire les pertes résistives, les modules constitués de cellules découpées sont devenus la norme. Les pertes de performance liées à la découpe des cellules à hétérojonction de silicium étaient une donnée manquante de la littérature. Un courant de recombinaison d’arête de 8 nA/cm a été mesuré, et une perte de courant photo-généré. L’effet sur la performance module est modélisée pour différentes géométries de découpe. Le second est optique: certain nouveaux encapsulants utilisés dans ces modules présentent un comportement diffusif. Un modèle à 4-flux est développé pour en caractériser les constantes optiques à partir de mesures spectrophotométriques en réflexion et transmission, totale et diffuse. Un nouveau poste de perte de performance, par rétrodiffusion de la lumière dans les encapsulants, est proposé. L'impact sur le courant photo-généré du module a été analysé pour deux encapsulants diffusifs, opaque et transparent aux ultraviolets.

Photovoltaic modules with higher efficiency can be envisaged by limiting the optical and electrical performance losses caused by cell integration. This thesis is mainly dedicated to the modelling of PV modules made up of silicon heterojunction solar cells (SHJ). There are already many tools for modelling the performance of a photovoltaic module, but it is necessary to adapt them to account for specificities of this technology, as well as latest developments in module design and interconnection. An optical and electrical model – mainly analytical – has been developed. A standardized classification of performance losses within the module was defined and enriched on the basis of previous work in the literature. Two loss items are analysed in more detail. The first is electrical: in order to reduce resistive losses, modules made up of cut cells have become the standard. The performance losses associated with cutting silicon heterojunction cells were missing data from the literature. An edge recombination current of 8 nA / cm has been measured before and after cutting, as well as a loss of photo-generated current. The impact on module performance has been modelled for different cutting geometries. The second is optical: new encapsulants material exhibit significant diffusive behaviour. A 4-flux model is developed to characterize its optical constants from spectrophotometric measurements in reflection and transmission, total and diffuse. A new item in performance losses is proposed, caused by backscattering of light. The impact on the photo-generated current of the module was analysed for two diffusive, UV opaque and transparent encapsulants.