Les cellules tandem à l’épreuve
modélisation multiphysique du rendement extérieur
Les cellules tandem, sujet de recherche du projet IOTA, comptent parmi les technologies photovoltaïques les plus prometteuses pour améliorer la conversion de l’énergie solaire en électricité. Si leurs rendements sont généralement évalués en laboratoire dans des conditions standardisées, leurs performances réelles dépendent des variations d’ensoleillement et de température auxquelles elles sont soumises en extérieur. Dans quelle mesure ces fluctuations modifient-elles l’énergie délivrée par ces cellules ? Pour répondre à cette question, un modèle multiphysique, qui couple les phénomènes optiques, électriques et thermiques peut être développé afin d’estimer l’énergie produite au cours du temps en fonction des conditions climatiques locales.
Par Marion Gonçalves, doctorante à l’INL sous la direction de Mohamed Amara et Emmanuel Drouard,
membre du projet IOTA
Les cellules photovoltaïques en Silicium cristallin dominent largement le marché. Leur rendement de conversion record, tant en laboratoire qu’à l’échelle industrielle, se rapproche de plus en plus du maximum théorique, établi à 29 %. Le principal phénomène qui restreint leurs performances est la thermalisation : l’excès d’énergie des photons incidents par rapport à l’énergie de bande interdite du Silicium est dissipé en chaleur. En effet, la bande interdite d’un semi-conducteur correspond à l’énergie minimale nécessaire pour faire circuler un électron, mais elle fixe aussi la quantité maximale d’énergie électrique récupérable par photon.
Une nouvelle architecture de cellules appelées « tandem » permet de dépasser ce rendement limite théorique. Elle combine deux cellules photovoltaïques l’une sur l’autre. Chaque sous-cellule est optimisée pour convertir une partie différente du spectre solaire, ce qui réduit la thermalisation. La sous-cellule supérieure (de bande interdite élevée) absorbe les photons de grande énergie, tandis que la sous-cellule inférieure capte les photons de plus faible énergie, non absorbés par la sous-cellule supérieure. Le gain en efficacité provient principalement d’une meilleure conversion du rayonnement en électricité, et non d’une absorption d’une plus grande partie du spectre solaire.
© Cyril FRESILLON – INL – CNRS Images
Tandem Pérovskite/Silicium : la configuration la plus étudiée de nos jours
La sous-cellule inférieure est généralement composée de Silicium cristallin, technologie la plus produite dans le monde. Pour la sous-cellule supérieure, les pérovskites hybrides halogénées sont des matériaux prometteurs. Leur bande interdite plus élevée que celle du silicium cristallin, est ajustable via leur composition chimique. Ce sont des couches minces (épaisseur inférieure au micromètre), qui offrent la perspective d’une fabrication à faible coût grâce à des procédés de dépôt relativement simples. Mais des challenges persistent : ces matériaux sont encore peu stables dans le temps. Il est également difficile d’avoir un maintien de leurs performances sur des surfaces de cellules à taille réelle.
Configuration électrique des cellules tandem
Dans les cellules tandem, plusieurs schémas de connexion électrique existent :
- Les sous-cellules sont connectées en série, architecture dite à « Deux-terminaux ». Cela nécessite que les courants produits par les sous-cellules soient proches pour garantir des performances élevées. Généralement, la sous-cellule supérieure est directement déposée sur la sous-cellule inférieure, et une couche d’interconnexion les relie.
- Chaque sous-cellule possède un circuit électrique indépendant, architecture dite à « Quatre-terminaux ». Le plus grand nombre de couches de cette structure augmente les pertes par absorption parasite de la lumière. Les sous-cellules sont fabriquées séparément et assemblées mécaniquement. Leur fabrication requiert plus d’étapes, mais serait plus facilement intégrable dans l’industrie des modules en c-Si.
- Une architecture dite à « Trois-terminaux » permettrait de lever les verrous des deux technologies précédentes. L’intérêt pour cette configuration est grandissant, mais cette solution est encore émergente.
La configuration électrique la plus étudiée actuellement est celle à 2 terminaux ou 2T (moins de pertes optiques et coûts de fabrication plus faibles). Le rendement record des cellules photovoltaïques tandem Pérovskite/Silicium 2T dépasse les 35 %, ce qui est bien supérieur à la limite théorique des cellules conventionnelles en Silicium cristallin.
© Nuno Marques – Unsplash
Efficacité en conditions de test standard VS Production d’électricité en conditions réelles
Le rendement est mesuré dans des conditions de laboratoire appelées conditions de test standard (STC). Elles correspondent à un éclairement constant de 1000 W/m² sous un spectre de référence nommé AM1.5 (représentatif de l’ensoleillement moyen annuel des régions soumises à un climat tempéré), et à une température de cellule fixée à 25°C. L’efficacité des cellules tandem 2T, contrainte par l’équilibre des courants des sous-cellules, est optimisée sous ces conditions spécifiques.
Or, les cellules photovoltaïques produisent en réalité de l’électricité en extérieur, où l’éclairement et la température varient à la fois au cours de la journée et des saisons, et selon la localisation. Ces fluctuations perturbent l’équilibre des courants obtenu sous STC : il est possible qu’une des sous-cellules produise plus de courant que l’autre. Cela diminuerait certainement la puissance totale générée. Pour quantifier le gain réel de performances des cellules tandem par rapport aux cellules photovoltaïques standard, ce travail, qui s’inscrit dans le projet IOTA, s’intéresse au productible (électricité délivrée par la cellule sur un an à un endroit donné), plutôt qu’au rendement sous STC.
Estimation du productible des cellules tandem grâce à la modélisation multiphysique avancée
Notre travail consiste à développer un modèle multiphysique pour simuler la production d’électricité des cellules tandem sur un an, à une localisation choisie. Ce modèle est composé de plusieurs briques qui interagissent ensemble :
- Un algorithme qui détermine la position du Soleil pour chaque heure, afin d’avoir l’angle d’incidence de la lumière dans le plan de la cellule photovoltaïque ;
- Un modèle d’irradiance spectrale qui estime la puissance du rayonnement solaire reçue par la cellule, en fonction de la longueur d’onde des photons, à chaque heure ;
- Un modèle optique qui détermine l’absorption de la lumière dans chaque sous-cellule, en fonction de la longueur d’onde également. Ses données d’entrée sont l’angle d’incidence et les propriétés des matériaux qui composent la cellule, et de ceux qui la protègent en extérieur. En associant ce spectre d’absorption avec l’irradiance spectrale, il est possible de connaitre la part du rayonnement solaire absorbée par chaque sous-cellule ;
- Un modèle électrique qui quantifie la part de lumière absorbée convertie en électricité. Pour cela, un modèle dit « à diodes » est utilisé : il s’agit d’une représentation largement répandue d’une cellule photovoltaïque via un circuit électrique équivalent. Il permet d’obtenir une relation entre le courant de la cellule et sa tension, afin de trouver le point de fonctionnement optimal (MPP) où la puissance produite est maximale. Chaque sous-cellule a son propre circuit électrique équivalent, et pour une architecture tandem à deux terminaux, ils sont reliés en série. Les caractéristiques électriques (puissance, courant, tension) au MPP sont ainsi obtenues.
- Un modèle thermique qui estime la température de la cellule photovoltaïque, via un bilan détaillé entre les puissances émises et reçues par la cellule. Elle influe sur les performances électriques.
La puissance maximale produite à chaque pas de temps horaire permet d’estimer le productible annuel de la cellule tandem à un endroit donné. Plusieurs analyses sont possibles à partir de ces résultats :
- Analyser l’impact de la contrainte d’équilibre des courants entre les sous-cellules sur la production d’électricité en conditions réelles de la cellule tandem 2T selon les zones géographiques. Bien que le déséquilibre des courants soit accentué en conditions réelles par rapport aux STC, les pertes de production d’énergie qui en résultent peuvent être inférieures à celles observées sur le courant total de la cellule ;
- Comparer l’énergie produite à celle d’une cellule en Silicium cristallin, afin de quantifier les gains réels de production d’électricité apportés par les cellules tandem ;
- Enfin, donner des clés pour optimiser l’architecture de la cellule tandem afin de maximiser la production d’énergie selon la localisation, et non le rendement sous STC.
Ce modèle a vocation à être appliqué aux dispositifs développés dans le cadre du projet IOTA, et a pour objectif plus lointain de devenir un outil pour la communauté qui travaille sur les cellules tandem.
Calculer le rendement énergétique
La simulation est réalisée sur une année, à pas de temps réguliers, afin d’estimer le productible.
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