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Gestion de la lumièrE pour la future géNération de cEllules SolairEs – GENESE

GENESE

Gestion de la lumièrE pour la future géNération de cEllules SolairEs

Objectif du Projet

Ce projet a pour objectif de démontrer et d’étudier la faisabilité d’une nouvelle génération de capteurs solaires performants couplant une nanostructuration du substrat et une couche à conversion de photons pour optimiser l’absorption du spectre solaire. Afin de maximiser le rendement quantique de ces capteurs, les structures développées utiliseront un couplage efficace entre des sensibilisateurs (Se) et/ou d’Ag (Np-Ag) et des ions terre rare (TR). Un double couplage est mis en jeu, avec tout d’abord le couplage Se-TR (Tb3+ ou Pr3+) puis le couplage TR:Yb3+ pour permettre une absorption efficace des photons énergétiques et l’émission de 2 photons IR à 980 nm pouvant être absorbés par la cellule solaire en Si. Une autre approche consiste à optimiser le couplage Np-Ag avec les Se et les ions TR pour maximiser l’émission à 980 nm. Enfin la nanostructuration de la cellule favorisera l’absorption de la lumière.

Différentes approches sont étudiées dans ce projet :
- La nanostructuration du substrat/cellule via une approche bas coût et transposable à large échelle.
- Le dépôt de couche minces à conversion de fréquence dans lesquelles, la matrice hôite jouent le rôle de sensiblisateurs efficaces des ions terre rare qui vont permettre la conversion d'un photon UV en deux photons IR
- La fabrication de nanoparticules d'Ag par différentes techniques (implantation à basse énergie, Langmuir Blodgett, ou pulvérisation magnétron). L'objectif est de créer un réseau de nanoparticules métalliques jouant le rôle de diffuseur des photons pour augmenter le rendement de la couche à conversion de fréquence.

Les résultats marquant sont :
1) Mise au point d’une technique simple de nanostructuration à large échelle de substrat de Si.
Utilisation de la méthode de Langmuir Blodgett pour déposer des billes de silice qui vont jouer le rôle de protection vis à vis du substrat. Après attaque chimique, une nanostructuration contrôlée sous forme de micropilier et optimisée après modélisation est obtenue.

2) Optimisation du couplage Tb :Yb via une approche multicouches
L’émission de l’ion Yb3+ à 980 nm dans une structure multicouche SiNx-Tb/SiNx-Yb a été multipliée par 2 par rapport à celle d’un film composite SiNx-Tb :Yb.

Si les objectifs du projet sont atteints durant sa durée, ils constitueront pour la communauté scientifique de nouvelles bases fondamentales notamment dans le rôle de sensibilisateur efficace joué par les Np-Ag vis-à-vis des ions TR ouvrant des perspectives autres que l’application solaire.
La conversion de photon, dans le cas d’un rendement quantique élevé, offre l’opportunité de transférer la technologie des couches minces dopées avec des ions terre rare sur des cellules solaires actuelles et donc, d’envisager des retombées industrielles et économiques potentielles. Le CIMAP est en relation avec des PME régionales ou nationales qui fabriquent des cellules solaires (FP2S-Energie renouvelable ; Energiz SA; SFER - www.sfer.org) ou qui ont besoin de systèmes compacts pouvant fournir de l’énergie (Greensystech, www.greensystech.com/). L’IEMN est en contact avec le CD2E (www.cd2E.com), Centre Expert pour l’Emergence des Ecotechnologies qui a développé entre autres une plate-forme solaire Lumiwatt et qui est à l’écoute pour tout test ou transfert de technologie innovante. En cas de succès, et après protection des résultats, le coordonateur s’engage à prendre contact avec ces entreprises pour étudier des collaborations potentielles en vue de futurs développements.
D’un point de vue sociétal et économique, ces résultats apporteront (i) une avancée majeure dans la course actuelle au développement de solutions dans l’utilisation des énergies nouvelles, (ii) une opportunité pour la France de proposer des solutions innovantes aux défis majeurs de demain, (iii) un apport dans l’indépendance énergétique de la France (iv) une adéquation avec les objectifs du Grenelle de l’environnement et du traité de Lisbonne/Gotebörg.

A l'heure actuelle, le projet a permis :
- la soumission d'un article à Solar Energy Materials and Solar Cells. En cous de correction.
- la publication d'un article dans J. Applied . Physics.
- la réalisation d'un chapitre d'un livre. «S

Il y a maintenant une véritable concurrence économique internationale pour développer des solutions stratégiques et socio-économiques afin de gérer notre indépendance énergétique ainsi que notre production de gaz à effet de serre. L'une de ces solutions concerne la production de futures cellules solaires à faible coût ayant une efficacité de conversion élevée, avec l'objectif d'atteindre des coûts de production inférieurs à 0,5 € / W en 2030 en Europe. C'est dans ce contexte que le projet GENESE propose une approche originale pour permettre la conversion de la lumière en utilisant une combinaison de sensibilisateurs efficaces d'ions terre rare couplés à une nanostructuration du substrat. Les objectifs sont: (i) de déterminer la faisabilité de telles structures pour la conversion de fréquence, et (ii) d'identifier la structure la plus prometteuse pour la capteur bénéficiant d'une section efficace d'absorption élevée. Ces capteurs offrent un fort potentiel de développement économique puisque les différentes voies explorées dans ce projet sont compatibles avec les contraintes de production de l'industrie photovoltaïque.

Coordinateur du projet

Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales
Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique

Aide de l'ANR 509 964 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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