Réduire les pertes : la recherche en ingénierie équipe l’industrie solaire pour améliorer ses performances

Réduire les pertes : la recherche en ingénierie équipe l'industrie solaire pour améliorer ses performances L'électricité solaire est produite presque entièrement par des panneaux, ou modules, construits avec des cellules absorbant la lumière en silicium. Le silicium est la norme de l'industrie car il est fiable et peu coûteux, avec une structure et des performances bien comprises. - poolsuppliers

L’électricité solaire est produite presque entièrement par des panneaux, ou modules, construits avec des cellules absorbant la lumière en silicium. Le silicium est la norme de l’industrie car il est fiable et peu coûteux, avec une structure et des performances bien comprises.

Mais les modules de cellules en silicium ont un peu plus de 20 % d’efficacité pour convertir la lumière du soleil en électricité, et leur production est relativement coûteuse et compliquée. Les efforts pour réduire les coûts technologiques par rapport au rendement incluent donc différents matériaux ou combinaisons de matériaux. Un tel mélange est le cadmium, le sélénium et le tellurure, abrégé en CdSeTe et parlé familièrement en tant que “CadTel”.

« CadTel ne représente qu’environ 5 % du marché du photovoltaïque, mais il a un potentiel important », déclare Arthur Onno, professeur de recherche adjoint au Holman Research Group de l’Ira A. Fulton Schools of Engineering de l’Arizona State University. “Par exemple, les absorbeurs sont environ 40 fois plus fins que ceux des cellules en silicium. De plus, les cellules CadTel peuvent être appliquées directement sur la vitre avant d’un module grâce à un processus de production plus efficace appelé dépôt par transport de vapeur, ce qui n’est pas le cas pour silicium. Ces différenciations peuvent modifier considérablement les structures de fabrication et de coût des panneaux solaires.

Cependant, les dispositifs CdSeTe actuels affichent des déficits de tension mal compris qui compromettent leurs performances. Onno dit que la communauté de recherche travaillant avec CdSeTe manque des outils et des techniques nécessaires pour examiner les pertes de tension et guider l’optimisation de manière courante pour améliorer les cellules solaires à base de silicium.

“Cela signifie que les problèmes sont souvent associés à” cette partie “ou” cette partie “d’un appareil sans aucune quantification claire des pertes ou des mécanismes en jeu”, explique Onno. “C’est en quelque sorte” voler à l’aveugle “, il y a donc une réelle opportunité d’apporter des contributions importantes à ce domaine.”

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Pour saisir cette opportunité, Onno a mené un projet de trois ans pour développer un moyen de comprendre pourquoi les tensions des cellules solaires CdSeTe ne sont pas plus élevées – et ainsi éclairer la voie à suivre pour améliorer les performances.

L’effort a été dirigé par le groupe de recherche Holman, qui fait partie de l’école d’ingénierie électrique, informatique et énergétique, l’une des sept écoles Fulton de l’ASU, en partenariat avec le Center for Next Generation Photovoltaics de la Colorado State University, le National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado, et First Solar Inc. de Tempe, Arizona. Leurs recherches ont été soutenues par une subvention de 1,5 million de dollars du Bureau des technologies de l’énergie solaire du Département américain de l’énergie.

“Nous avons réussi à identifier une technique qui fonctionne. La mesure s’appelle l’efficacité radiative externe, ou ERE”, explique Onno. “Nous avons commencé à l’utiliser sur des cellules solaires produites par nos partenaires de projet, et nous avons trouvé beaucoup de potentiel caché.

“Nous avons également appris que le mécanisme principal limitant la tension n’est pas nécessairement lié à des défauts dans la masse de la cellule ni aux interfaces entre les différents matériaux composant la cellule”, dit-il. “C’est généralement ce que suppose la communauté CadTel. Mais c’est plutôt un problème de sélectivité, c’est-à-dire lorsque les électrons à l’intérieur de la cellule vont dans le mauvais sens et s’annulent.”

Les pertes de sélectivité correspondent à une chute entre les tensions interne et externe de la cellule. La tension interne est une mesure de la façon dont les défauts dans la masse de l’absorbeur et à ses interfaces réduisent la tension en dessous d’une limite thermodynamique idéale. La tension externe correspond à la tension interne moins les pertes dues au comportement non idéal des membranes semi-perméables qui prennent en sandwich ou enveloppent l’absorbeur de la cellule et dirigent le flux d’électrons dans et hors de la cellule pour générer un courant électrique.

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La présence même de pertes de sélectivité signifie que ces membranes semi-perméables sont imparfaites, et Onno dit que la communauté CdSeTe a longtemps supposé que les membranes semi-perméables n’étaient pas un problème et a donc négligé ces pertes.

Les nouvelles recherches de l’équipe montrent que les choses sont plus compliquées que prévu et qu’une comptabilité plus précise est nécessaire car différents appareils présentent différents types de pertes de tension. Par conséquent, la capacité de mesurer la tension interne via ERE est une innovation importante.

Onno dit que le “dopage” des absorbeurs par l’ajout d’éléments comme l’arsenic aide à réduire les pertes de sélectivité. Il le fait parce que les absorbeurs conçus de cette manière peuvent soutenir le rôle de la membrane semi-perméable en ne laissant les électrons circuler que dans un sens à travers eux.

Cela signifie que la modification de la fabrication de l’absorbeur avec un dopage peut modifier la sélectivité globale même lorsque les membranes semi-perméables restent inchangées. Onno dit que c’est important car cela montre qu’il existe plusieurs façons d’obtenir de faibles pertes de sélectivité et d’améliorer l’efficacité des dispositifs CdSeTe.

Ces nouvelles découvertes sont révélées dans “Comprendre ce qui limite la tension des cellules solaires polycristallines CdSeTe”, un nouvel article rédigé par Onno avec ses collègues et publié dans la revue de recherche Nature Energy .

À l’avenir, l’équipe appliquera la technique de mesure pour aider à améliorer les cellules solaires produites à partir d’autres matériaux avancés tels que les pérovskites, une classe de composés qui absorbent la lumière d’une partie du spectre électromagnétique différente de celle du silicium.

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Les résultats de la recherche seront également appliqués pour travailler avec des cellules solaires au silicium traditionnelles. Le groupe de recherche Holman soutient un projet dirigé par Mariana Bertoni, professeure agrégée de génie électrique dans les écoles Fulton, pour surveiller la dégradation des appareils sur le terrain. La technique ERE fonctionne à travers le verre, de sorte que les cellules solaires déjà emballées dans des modules commerciaux peuvent être évaluées d’une manière qui n’est actuellement pas possible en utilisant une méthode standard connue sous le nom de photoconductance quasi-stationnaire, ou QSSPC.

“Nous nous efforçons également de mettre cette technologie entre les mains de l’industrie”, déclare Zachary Holman, directeur du groupe de recherche Holman et professeur agrégé de génie électrique dans les écoles Fulton. “Nous avons déjà construit des répliques de cette technique de mesure pour quelques fabricants nationaux de cellules et de modules solaires.”

Chaque entreprise a acheté des composants à partir d’une liste fournie par le Holman Research Group. L’équipe ASU a ensuite assemblé l’unité ERE et effectué une formation en laboratoire avec un ingénieur du fabricant avant de tout expédier sur son site.

Holman dit que son groupe prévoit de poursuivre la distribution de la nouvelle capacité, avec une motivation supplémentaire depuis le lancement de la New Economy Initiative de l’Arizona, ou NEI, pour positionner Phoenix et l’État pour réussir à cultiver l’industrie de haute technologie.

“Le Centre scientifique et technologique du NEI pour les matériaux, procédés et dispositifs énergétiques avancés, ou AMPED, a le photovoltaïque comme domaine de prédilection”, dit-il. “Et il a récemment étendu son soutien à la poursuite de la commercialisation de cette innovation, ce qui va vraiment nous aider à la diffuser dans le monde et à créer un impact.”