Photovoltaïque à base de semi-conducteurs III-V

Les cellules solaires multi-jonctions (MJSC) à base de semiconducteurs III-V font partie de la troisième génération de cellules photovoltaïques. Notre objectif est d’améliorer la qualité des matériaux et leur efficacité de conversion, en considérant les problématiques d’utilisation en environnement spatial, en collaboration avec nos partenaires de l’ONERA et du CNES. Nous visons ainsi à améliorer la compréhension et la modélisation du comportement des matériaux (par exemple, les alliages à base d'azote dilué, tels qu'InGaAsN, utilisés dans certaines sous-cellules, tel-03483437) et hétérostructures utilisés dans les nouvelles générations de cellules solaires multijonctions dans des environnements non-standard comme l'espace.

Systèmes hybrides de conversion de l’énergie solaire

L’efficacité de conversion des systèmes solaires photovoltaïques est limitée. Afin de récupérer et convertir l’énergie solaire de manière optimale, nous travaillons sur plusieurs approches de conversion de l’énergie solaire par hybridation de la conversion photovoltaïque avec un autre type de conversion. Notre activité se concentre principalement sur l’hybridation avec des générateurs thermoélectriques.

• Hybridation PV-TE

Selon le matériau photovoltaïque, jusqu'à 50 % de l'énergie solaire qui frappe une cellule photovoltaïque est perdue et dissipée sous forme de chaleur. Dans l’équipe PHOTONIQUE, nous explorons une stratégie émergente pour récupérer et valoriser cette énergie perdue consistant à coupler la cellule solaire avec un générateur thermoélectrique (TEG) dans un système hybride photovoltaïque-thermoélectrique (PV-TE). Les premières réalisations expérimentales de systèmes hybrides PV-TE dans la littérature montrent un gain d'efficacité prometteur allant jusqu'à +5%.

Pour aller plus loin, dans le cadre du projet ANR HYDRES (2022-2025) en collaboration avec l’Institut Jean Lamour (Nancy), nous proposons une approche globale et multidisciplinaire pour surmonter les barrières technologiques qui freinent le développement de systèmes hybrides PV-TE à haut rendement.

Vers une architecture de système hybride PV-TE à haut rendement (fonctionnalisation de l'interface PV-TE, conception spécifique du TEG, implémentation d'une interface électronique intelligente pour suivre le point de puissance maximale).

En particulier, dans l'équipe PHOTO, nous relevons deux défis majeurs :

1. la fonctionnalisation de l'interface entre la cellule solaire et le TEG pour augmenter le flux de chaleur entrant dans le module thermoélectrique et sa contribution à la puissance de sortie du système PV-TE (thèse de Sébastien Hanauer, 2020-2023, hal-04020888);
2. le développement d’un procédé technologique de fabrication d’un dispositif PV-TE avec un fort couplage thermique (thèse de Léopold Boudier, 2022-2025).

• Autres hybridations PV-X

Des approches différentes permettant une utilisation plus complète de l’énergie solaire par association de cellules photovoltaïques avec un autre convertisseur sont possibles. En particulier, nous participons à des actions de recherche collaborative visant à modéliser, concevoir, et mettre en œuvre des convertisseurs hybrides PV – CSP et PEC – PV.

Dans le cas de l’hybridation avec des technologies solaires à concentration (Concentrated Solar Power – CSP), où le rayonnement solaire est concentré sur un absorbeur qui permet de porter un fluide à haute température, servant à produire de l’électricité par le biais de turbines, nous analysons plusieurs configurations d’association avec la conversion photovoltaïque. En particulier, notre apport scientifique concerne l’étude du comportement des cellules PV lorsqu’elles sont sous contraintes (p.ex. thermique lorsque les cellules recouvrent l’absorbeur de la centrale solaire). Ces recherches sont menées en collaboration avec les laboratoires PROMES (Odeillo) et RAPSODEE (Albi) dans le cadre d’une thèse (Zacharie Menard, 2023-2026) financée par le Labex SOLSTICE et le défi clé de la Région Occitanie PV-STAR.

Dans le cas des cellules photoélectrochimiques (PEC) servant à produire des carburants solaires (i.e. de l’hydrogène), seuls les photons solaires les plus énergétiques sont utilisés. Une hybridation avec des cellules PV opérant dans le proche infrarouge permet de mieux convertir le rayonnement solaire, l’électricité produite contribuant au pilotage la cellule PEC. Nous participons principalement à l’analyse du comportement des cellules PV à faible énergie de bande interdite (~0,7 eV) sous éclairement solaire concentré dont le spectre est tronqué. Les travaux sont menés en collaboration avec l’Institut Pascal (Clermont-Ferrand) et le LEMTA (Nancy), et plus globalement dans le cadre d’un projet ANR (MCMET, 2024-2028) visant à mettre en œuvre des méthodes statistiques (Monte Carlo) pour une modélisation multi-physique et multi-échelle de ce type de système solaire.

Thermophotovoltaïque

La conversion thermophotovoltaïque (TPV) repose sur le même principe que la conversion photovoltaïque solaire, mais pour une source de rayonnement qui est un corps chaud à haute température (typiquement de 700 à 3000 °C). Notre activité de recherche concerne principalement la proposition de matériaux et de structures pour des cellules TPV et des composants photoniques optimisant les performances de conversion.

Principe de la conversion thermophotovoltaïque d’une énergie thermique provenant de sources d’énergie primaire diverses (chaleur fatale industrielle, solaire concentré, électrique, désintégration radioactive pour les applications spatiales,…). b. Notre activité concerne notamment le développement de structures optimisant les performances de conversion (p.ex. par filtrage spectral des photons inutiles à la conversion PV).

• Cellules TPV à très bas gap (<0,36 eV)

Théoriquement, pour maximiser la puissance électrique, il est nécessaire d’employer des cellules photovoltaïques à énergie de bande interdite (ou gap) inférieure à 0,6 eV pour des températures d’émetteur inférieures à 3000 °C.

Dans les conditions où l’on souhaite convertir l’énergie thermique provenant de sources de chaleur de niveau moyen (< 1000 °C), la contrainte est encore plus forte : des cellules TPV à très bas gap (de 0,17 à 0,36 eV) sont requises. Le défi principal est de parvenir à faire opérer la cellule à température ambiante.

Dans le cadre d’un projet ANR (LOW-GAP-TPV, 2021-2025), nous participons à la proposition de matériaux et de structures permettant la conversion TPV à très bas gap. En partenariat avec l’IES (Montpellier), le choix s’est porté sur un absorbeur en super-réseau InAs/InAsSb et une structure à barrières.

• Architectures minimisant les pertes électriques et optiques

A l’inverse, lorsque la température d’émetteur est très élevée (> 2000 °C), il peut tout de même être envisagé de mettre en œuvre des cellules à gap plus élevé (> 0,8 eV). Cependant, plusieurs contraintes apparaissent.

Comme pour la conversion solaire photovoltaïque sous concentration, les cellules sont soumises à des fortes densités de rayonnement incident, et génèrent des courants électriques élevés. En conséquence, les pertes par effet Joule deviennent le facteur limitant principal. En collaboration avec l’Université de Lérida (Espagne), nous explorons la possibilité de mettre en œuvre des cellules à jonctions verticales en silicium, originellement développées pour le solaire photovoltaïque,hal-04186071. Grâce à une forte diminution du courant, les pertes résistives sont négligeables. Le défi consiste à modifier l’architecture de ces cellules pour la conversion TPV.

La deuxième contrainte des cellules à gap supérieur à 0,8 eV est qu’une large fraction des photons incidents ne peuvent pas contribuer à l’effet photovoltaïque : s’ils sont absorbés, ils vont réduire le rendement de conversion et générer de la chaleur. Il est par conséquent nécessaire de mettre en œuvre un filtrage spectral pour limiter l’absorption de ces photons. Notre activité de recherche consiste à concevoir et mettre en œuvre des solutions originales permettant d'optimiser la gestion des photons infrarouges dans la cellule TPV. Des matériaux III-V avec un gap compris entre 0,8 et 1,1 eV sont sélectionnés pour l'absorbeur.

Couplage et hybridation des excitations élémentaires

Les interactions entre excitations élémentaires (excitons, plasmons, phonons, polaritons) sont les vecteurs de la conversion de l’énergie sous ses diverses formes (électromagnétique, vibrationnelle, thermique). Nos travaux s’inscrivent dans l’étude de ces interactions et leur contrôle par structuration de la matière aux échelles micronique et nanométrique. Ainsi de nouveaux concepts, tels que la thermo-plasmonique, la plasmo-électronique, la plasmo-excitonique ou encore l’acousto-plasmonique émergent de l’hybridation entre excitations élémentaires. Nous mettons en oeuvre des outils expérimentaux, centrés essentiellement sur les techniques de spectroscopies optiques localisées (micro-PL et Raman confocales, micro-reflectivité et transmission multispectrales, ellipsométrie) ainsi que des outils de simulations numériques des réponses optiques et du transport thermique. Les applications visées concernent les domaines de l’énergie (captation et stockage, la photocatalyse et la production d’hydrogène) et de la détection de molécules d’intérêts chimique ou biologique (sensing LSPR, SERS). Les matériaux privilégiés sont les semiconducteurs bidimensionnels de la famille des dichalcogénures de métaux de transitions MX2 (à fort confinement quantique) et leurs hétérostructures, les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (fort confinement excitonique et diélectrique), les métaux plasmoniques (Aluminium, Or, Argent), les matériaux thermoélectriques (BiTeSe). Ces matériaux sont associés par synthèse chimique, croissance épitaxiale ou dépôts en vue de contrôler et d’exalter leurs propriétés optiques, thermiques ou vibrationnelles.

• Acousto-plasmonique

Les nano-objets sont vus généralement comme des objets statiques. En réalité ils sont le siège de vibrations de leur réseau atomique, vibrations qui dans le cas des métaux nobles sont purement acoustiques. Ces derniers sont fortement dépendants de la taille et de la forme des objets et se couplent à leurs excitations électroniques individuelles comme collectives; l’acousto-plasmonique s’intéresse à la modélisation de ces couplages et en tire profit pour l’interprétation de données spectroscopiques (Raman résonnant) et pour la compréhension de la conversion de l’énergie électromagnétique en énergie thermique.

2D and 3D spatial distributions of the electric near field enhancement induced by the dipolar LSPR and modulated by the isotropic (top) and anisotropic (bottom) vibration modes ; the corresponding cross-section planes are indicated in each panel. (a) NP at rest, (b) isotropic breathing S100 (d0 ) mode, (c)–(g) fivefold degenerated isotropic quadrupoles S12m (d1 -d5 ), (h) anisotropic breathing A1g mode, (i), (j) anisotropic quadrupole Eg (E g(a) and E g(b) ) modes, and (k)–(m) anisotropic quadrupole T2g (T2g(a) , T2g(b) , and T2g(c) ) modes. Publié dans Phys.Rev.B; collaboration : Prof. Nicolas Large, UT San Antonio.

• Thermo-plasmonique

La possibilité d'absorber, de confiner, de focaliser et de guider la lumière à travers des nanostructures plasmoniques a ouvert la voie à des études fondamentales et à de nouvelles applications dans divers domaines (santé, énergie, télécommunications). Au sein de l'équipe PHOTONIQUE, nous cherchons à : (i) intégrer des fonctions plasmoniques dans des dispositifs afin d'optimiser les fonctions d'émission, d'absorption, de guidage, de filtrage ou de focalisation optique. (ii) développer une approche multifonctionnelle en exploitant la capacité des nanostructures métalliques à transmettre sélectivement la lumière, à générer des points chauds thermiques et à conduire du courant. (iii) tirer parti des métasurfaces plasmoniques et des puits quantiques bidimensionnels afin d'améliorer la photogénération de porteurs de charge pour des applications photo-voltaïques et photo-catalytiques.

Expérience de thermo-plasmonique dans une nanostructure hybride composée de nano-antennes en or recouvertes d'une monocouche de MoS2. Les nanoantennes absorbent efficacement la lumière, la convertissant en paires électron-trou qui relâchent leur énergie excédentaire en émettant des phonons. Publié dans ACS Nano; collaboration : Prof. Jun Lou, Rice University.

• Plasmo-électronique

Les plasmons de surface agissent comme des médiateurs efficaces pour la conversion de l’énergie électromagnétique en énergies électrique. En effet, les porteurs chauds photo-générés, par les excitations plasmoniques, participent à la conduction électrique d’un puits quantique semiconducteur ou d’un réseau de nanoparticules auto-organisées par exemple. Nous étudions ces phénomènes aussi bien d'un point de vue théorique (conversion plasmon/porteurs de charges, transferts de charges par hybridation états moléculaires/métalliques, transport en régime tunnel ou photo-thermo-induit) qu'expérimental (spectroscopies et imageries locales des réponses optiques et du transport de charges). La plasmo-électronique permet d’envisager de nouvelles applications dans le domaine des capteurs (résistifs, capacitifs) notamment.

Plasmo-électronique dans des structures hybrides molécules/nanoparticules auto-assemblées. Le photo-courant généré par excitation résonnante des plasmons de surface des nanoparticules est étudié en fonction des paramètres physique (taille, forme des nanoparticules, nature de la molécule stabilisante) ainsi que des sollicitations (champ électrique AC, déformation du substrat, température). Publié dans Materials Today Nano; collaboration : Prof. Jérémie Grisolia LPCNO-INSA, Toulouse.

Imagerie hyperspectrale codée adaptative

L’imagerie hyperspectrale, ou plus simplement imagerie spectrale, permet de mesurer le spectre lumineux, infrarouge et parfois UV pour chaque point d’une scène 2D. Elle fournit ainsi un cube hyperspectral très riche en informations et exploité par de nombreuses applications (suivi environnemental, urbanisme, agriculture de précision, détection d’anomalies, etc ...). La mesure exhaustive de ce cube prend beaucoup de temps et génère beaucoup de données qu’il faut stocker, transmettre et post-traiter. Pour un très grand nombre d’applications, il est possible d’arriver à l’information d’intérêt (taux de CO₂, classification spectrale, stress hydrique, ...) sans exploiter tout le cube.

Nos travaux visent à exploiter quelques acquisitions de mélanges spectraux contrôlés, des acquisitions dites « codées » pour réduire la quantité d’information dès l’acquisition et dans toute la chaîne de traitement pour extraire l’information d’intérêt.

Notre approche repose sur la co-conception du dispositif permettant la mesure d’acquisitions codée, un DD-CASSI (Double-Disperser Coded Aperture Snapshot Spectral Imager) à masque codé programmable [hal-01182610, hal-02523018, tel-03997931] et des algorithmes de traitement associés [tel-03404224, hal-02993037, hal-03610209].

Nous avons ainsi pu démontrer expérimentalement la réduction de plus d’un ordre de grandeur du nombre de mesures nécessaire à l’extraction de tout le cube hyperspectral [hal-03610209], mais aussi des approches à base de réseaux de neurones pour la classification spectrale directement à partir de 2 acquisitions codées au lieu d’utiliser tout le cube hyperspectral (contenant plus de 100 bandes spectrales) [hal-03339620].

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