Physique des cellules solaires fonctionnant sous stress thermique

Physics of solar cells operating under thermal stress

• Auteur / Autrice : Paul Oublon
• Direction : Rodolphe Vaillon, Yvan Cuminal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 19/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Guilhem Almuneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Chemisana Villegas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Kaminski-Cachopo, Denis Mencaraglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermique

Ingénierie

Effet photovoltaïque

Photopiles

Mots clés libres

Cellules Solaires

Photovoltaïque

Caractérisation

Ingénierie

Thermique

Characterization

Photovoltaics

Solar Cells

Engineering

Thermic

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur l’étude du comportement des cellules photovoltaïques (PV) soumises à un stress thermique. Usuellement, les performances des cellules photovoltaïques sont mesurées dans les conditions standards de test (CST) définies telles que : la température de la cellule est fixée à 25 °C, l’irradiance est fixée à 1000 W/m2, et le spectre solaire correspond à une masse d’air AM 1,5. Toutefois, ces valeurs de la température et de l'illumination ne sont pas représentatives de celles rencontrées en conditions réelles de fonctionnement. Par exemple, les missions spatiales proches du soleil et l’hybridation de la conversion photovoltaïque avec la conversion solaire-thermique (PVT) ou thermoélectrique (PVTEG) conduisent à des températures de fonctionnement pouvant dépasser 100 °C. Or le rendement de conversion photovoltaïque décroît avec l’augmentation de la température. Par ailleurs, on constate qu’une cellule qui présente les meilleures performances à 25 °C ne fonctionne pas nécessairement de manière optimale à une température bien plus élevée (>100 °C). Cette thèse propose une analyse détaillée de la physique qui gouverne le comportement de cellules conventionnelles à base d’arséniure de gallium (GaAs) sous stress thermique (de 150 à 200 °C), correspondant à des températures de fonctionnement envisagées pour des systèmes d’hybridation de la conversion PV avec les conversions solaire-thermique et thermoélectrique. La première partie de la thèse est dédiée à une présentation de l’état de l’art des cellules solaires qui ont été testées à haute température. La seconde partie est consacrée à la conception d’un véhicule de test dont le rendement de conversion est optimisé à 25 °C. Dans cette partie toutes les étapes de fabrication de la cellule, les méthodes de caractérisation de ses performances (réponse spectrale et caractéristique courant-tension) et de mesures spécifiques (de résistances électriques liées à la présence de contacts métalliques, utilisant l’effet Hall, ellipsométriques, et de photoluminescence) sont présentées. La troisième partie de ce manuscrit est dédiée à la présentation des résultats de ces caractérisations pour des températures allant de 150 à 200 °C. Elle fournit une analyse des propriétés optiques (indice complexe de réfraction) et électriques (résistance spécifique de contact, mobilité, durée de vie) déduites des mesures spécifiques et qui seront utiles à la compréhension des causes de la dégradation des performances de la cellule à haute température. La dernière partie de la thèse est consacrée à l’analyse de la physique qui gouverne le comportement de la cellule testée de 150 à 200 °C. Dans cette partie, il est relevé qu’à plus haute température, les performances des cellules photovoltaïques s’écartent de la limite théorique (de Shockley-Queisser) du rendement de conversion PV. Ensuite, il est notamment établi un bilan et une analyse détaillée de l’évolution des pertes de conversion, sous forme d’une représentation graphique originale. De plus, on observe que le comportement optique de la cellule ne se dégrade pas à haute température et que l’impact des résistances séries ne nécessite pas de travail particulier d’optimisation de la grille de contact. L’analyse du comportement de la cellule révèle alors que l’augmentation de l’écart à la limite de Shockley-Queisser lorsque la température croît, est due aux recombinaisons non radiatives à l’interface entre l’émetteur et la couche fenêtre. Ces résultats servent de point de départ pour développer des cellules solaires fonctionnant optimalement à haute température. Ces premiers résultats devraient permettre par la suite de proposer des modifications de matériaux et de structure de cellule afin de diminuer les pertes de rendement photovoltaïque à haute température.

The work presented in this thesis manuscript focuses on the study of the behaviour of photovoltaic (PV) cells under thermal stress. Usually, the evaluation of the performance of PV cells is carried out under standard test conditions (STC) defined as: the cell temperature is set at 25 °C, the irradiance is set at 1,000 W/m2, and the solar spectrum corresponds to an air mass of AM 1.5. However, these temperature and illumination values are not representative of those encountered in real operating conditions. Indeed, space missions close to the sun and the hybridisation of photovoltaics with solar-thermal (PVT) or thermoelectric (PVTEG) conversion lead to operating temperatures that can exceed 100 °C. However, the photovoltaic conversion efficiency decreases with increasing temperature. Furthermore, it is found that a cell that performs best at 25 °C does not necessarily perform optimally at a much higher temperature (>100 °C). The thesis therefore proposes to provide a detailed analysis of the physics governing the behaviour of conventional gallium arsenide (GaAs) cells tested under thermal stress conditions (150–200 °C) which correspond to operating temperatures envisaged for systems hybridising PV conversion with solar-thermal and thermoelectric conversions. The first part of the thesis is dedicated to a presentation of the state of the art of solar cells that were tested at high temperatures. The second part is dedicated to the design of a test vehicle with conversion efficiency optimised at 25 °C. It provides the fabrication steps of the cell and describes the methods for characterising its performance (spectral response and current-voltage characteristics) and specific measurements (of electrical resistance related to the presence of metallic contacts, using the Hall effect, ellipsometry, and photoluminescence). The third part is dedicated to the presentation of the results of these characterisations for temperatures ranging from 150 to 200 °C. It provides an analysis of the optical (complex refractive index) and electrical (specific contact resistance, mobility, lifetime) properties deduced from the specific measurements and which will be useful in understanding the causes of the degradation of the cell performance at high temperature. The last part of the thesis is devoted to the analysis of the physics governing the behaviour of the cell tested from 150 to 200 °C. It reveals that at higher temperatures, the performance of the photovoltaic cells deviates from the theoretical (Shockley-Queisser) limit of PV conversion efficiency. In particular, a detailed assessment and analysis of the evolution of the conversion losses are provided in an original graphical representation. It is shown that the optical behaviour of the cell does not degrade at high temperatures and the impact of series resistance does not require any special grid optimisation work. The analysis of the cell behaviour reveals that the deviation from the Shockley-Queisser limit with increasing temperature is due to non-radiative recombination modelled at the interface between the emitter and the window layer. These results serve as a starting point for developing solar cells that operate optimally at high temperatures. They should subsequently enable the proposal of material and cell structure modifications to reduce photovoltaic efficiency losses at high temperatures.