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Alternative architecture of Cu(In,Ga)Se2 based thin film photovoltaics modules
No full textUn des principaux freins au développement industriel de la filière photovoltaïque à base de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) est son manque de maturité technologique, alors que les rendements atteints des cellules n’ont jamais été aussi élevés, à savoir 23,3% à l’échelle du laboratoire. Ce travail de thèse propose de lever un des verrous technologiques identifié à savoir un écart important entre les performances des cellules et celles des modules. Ces pertes sont inhérentes à l’interconnexion monolithique (réalisée à l’aide des gravures P1, P2 et P3 de manière standard) qui induit (i) une réduction de la surface active des panneaux, (ii) des pertes optiques ainsi que (iii) des pertes résistives. Afin de réaliser des mini-modules à hauts rendements, une architecture alternative a été étudiée et comparée à la structure conventionnelle. Dans cette structure, les grilles métalliques utilisées pour le contact avant du dispositif servent également à connecter de manière monolithique les cellules adjacentes. Ces travaux ont permis de prouver de manière théorique et expérimentale que cette architecture permettait d’obtenir des résultats bien plus intéressants que le design standard. Un des avantages mis en évidence est la réduction de l’épaisseur de la couche fenêtre permettant ainsi la diminution des pertes optiques et résistives. Seulement, une différence subsiste : le module présente une tension de circuit ouvert plus faible que la cellule photovoltaïque. Cette différence peut être due à la croissance de l’absorbeur de Cu(In,Ga)Se2 sur verre qui est découvert lors de la gravure P1. Celle-ci engendrerait des propriétés de CIGSe différentes tant au niveau de sa morphologie, de sa composition que de sa structure cristalline. Enfin, les meilleurs résultats obtenus montrent un rendement de 17,2% pour le module alternatif (avec un facteur de forme de 81%), contre 16,4% (avec un facteur de forme de 75%) pour la cellule. Ce résultat prometteur ouvre de nouvelles voies pour réduire l'écart observé entre les cellules en laboratoire et les modules industriels.One of the main drawbacks to industrially develop the CIGSe thin-film solar cells in the photovoltaic market is the lack of technological maturity, since the CIGSe lab-scale conversion efficiency has never been higher (23.3%). In this thesis, we address the key problem of the performance gap between the cells and the modules. These losses are due to the monolithic interconnection (carried out using the standard engravings P1, P2 and P3) which induces (i) a reduction of the active surface of the panels, (ii) optical losses as well as (iii) resistive losses. In order to create high-efficiency minimodules, an alternative architecture has been studied and compared to the conventional structure. In this structure, the metal grids, normally used for the front contact, are also used to monolithically connect the adjacent cells. Our work confirms experimentally and theoretically that these alternative modules lead to better photovoltaic performances that the modules with the standard design. One of the advantages highlighted in this thesis, is the reduction of the window layer thickness which enables to further decrease the optical and resistive losses. The only remaining difference between the photovoltaic cell and the module is the lower open circuit voltage of the module. This difference may be due to the fact that a part of the CIGSe layer grows on glass which is uncovered during the P1 etching. This leads to a different CIGSe morphology, composition and crystal structure. Finally, our results show a 17.2% best lab-scale conversion efficiency for the alternative module (with a fill factor of 81%), against 16.4% for the cells (with a fill factor of 75%). These very promising results open new horizons and ways to further improve the observed performance gap between the solar cells made at the laboratory and the industrial modules
Préparation et caractérisation de couches minces de CIGS déposées par différentes techniques
No full textTechnologies les plus prometteuses pour suivre le défi de la production d'énergie. La première partie de cette mémoire aborde les absorbeurs de CISe préparés par co-évaporation (3 étapes) et l'effet de l'oxygène (ainsi que le sodium) dans les absorbeurs et des cellules solaires. La température du substrat de 1ère étape la plus élevé (400°C), conduit à un rendement maximal de 12% (Voc=460mV, Jsc=37mA/cm2, FF=78,3%). L’oxydation des couches précurseurs de In2Se3 a montré que les oxydations prolongées ont donnée lieu à faibles rendements de cellules solaires. Les cellules de CISe sans Na ont été fortement dégradées après l’oxydation, avec une baisse de Voc (-72%) et de FF (- 45%). La deuxième partie de la mémoire traite avec la croissance des couches de CISe par un procédé hybride (pulvérisation pyrolyse suivie par coévaporation). La croissance est basée sur un processus de co-évaporation en 3 étapes, mais en remplaçant la couche de 1ère étape avec un couche In2Se3 pyrolysée. Il a été montré qu’une couche de CISe de haute qualité peut être obtenue. L’optimisation des conditions de croissance du procédé hybride (régime du Cu) a permis des dispositifs avec un rendement de 11,1%. Une amélioration peut être atteinte par la diminution de la recombinaison au niveau du contact arrière.In photovoltaics, the thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) technology is one of the most promising technology to keep up with today’s energy production challenge. The first part of this work address the CISe absorbers films prepared by the 3-stage co-evaporation process. Also, the effect of the oxygen (along with sodium) in the CISe absorbers and solar cells is investigated. The highest 1st-stage substrate temperature (400 C) leads to the highest efficiency of 12% (Voc=460mV, Jsc=37 mA/cm2, FF=78.3%). Oxidation of the In2Se3 precursors films showed that long time exposures resulted in low solar cell parameters. The CISe cells without sodium are degraded after oxidation, with a drop in Voc (-72%) and FF (-45%). The second part of the work deals with the growth of CISe films by a hybrid process which involves two deposition techniques, namely spray pyrolysis and co-evaporation. The process is based on a 3-stage coevaporation process but replacing the 1st-stage film with an In2Se3 spray pyrolyzed film. It was shown that highquality CISe films can be obtained. Optimization of the hybrid process growth conditions (Cu regime) allowed solar cells with efficiencies of 11.1% (Voc=438mV, Jsc=37 mA/cm2, FF=67.5%). Further improvement could be achieved by the decrease of recombination at the back contact
Elaboration and characterization of CuGaSe₂ / c-Si tandem solar cells : toward a monolithic two-terminals approach
No full textPour dépasser la barre théorique de 30% de rendement de conversion, les cellules solaires en tandem basées sur des sous cellules en silicium cristallin (c-Si) sont l'une des architectures les plus prometteuses. En outre, une approche monolithique à deux terminaux utilisant des couches minces à grand gap comme cellule supérieure ne nécessiterait pas de modification significative des modules solaires existants. L’absorbeur Cu(In,Ga)(S,Se)₂ (CIGS) est un candidat prometteur grâce à sa haute efficacité (le record de rendement en module est d'environ 19%) et à son énergie de bande interdite accordable. De plus, on peut noter que des cellules solaires CIGS sont déjà produites à l’échelle industrielle. La chalcopyrite pure-gallium et pure-sélénium CuGaSe₂ (CGSe) peut également être utilisée comme absorbeur de cellule supérieure dans un dispositif multijonction grâce à sa valeur optimale de bande interdite (1,68 eV). Néanmoins, le rendement de conversion actuel des cellules solaires à base de CGSe est encore faible (11,9%) et son intégration tandem n’améliorerait pas, en l’état, les performances de la cellule c-Si. L'objectif de cette thèse est d'optimiser l’élaboration d'une cellule solaire mono-jonction à base de CGSe, de développer un processus de dépôt de cellule supérieure sans dégradation ni contamination de la cellule inférieure en c-Si et enfin d'élaborer des cellules photovoltaïques tandem CGSe / c-Si fonctionnelles.To overcome 30% conversion efficiency, tandem solar cells based on crystalline silicon (c-Si) sub-cells are one of the most promising architecture regarding the theoretical predictions. Furthermore, a monolithic two-terminal approach using wide bandgap thin films as top cell does not require significant modification of the existing solar modules. Cu(In,Ga)(S,Se)₂ absorber layer is a promising candidate thanks to its high efficiency (the module record efficiency is around 19%) and to its tunable bandgap energy. In addition, industrial solar cells are currently produced from this material. In-free CuGaSe₂ (CGSe) can also be used as top cell absorber in a multi-junction device thanks to its optimal bandgap value (1.68eV). Nevertheless, the actual conversion efficiency of CGSe based solar cells is still low (11.9%). The objective of this thesis is to optimize the development of a single-junction solar cell based on CGSe, to develop top cell deposition process without degradation nor contamination of the c-Si bottom cell and finally to elaborate functional CGSe / c-Si tandem solar cells
Modelling of electrochemical storage and photovoltaic production in an autonomous solar drone
No full textCette thèse porte sur l’étude d’un système de gestion de l’énergie d’un drone alimenté par l’énergie solaire et de batteries de stockage au travers du développement d’un simulateur énergétique modélisant son comportement. L’étude se porte sur un drone solaire à aile tandem, ce dernier est équipé de quatre ailes dont les surfaces sont recouvertes par des panneaux solaires composés de cellules de types couches minces en arséniure de gallium (III-V). De plus, deux packs batteries lithium-ion embarqués dans le drone assurent une bonne autonomie en vol. La méthodologie du design du simulateur est basée sur l’interface entre des modèles équivalents électriques et mathématiques afin d’évaluer la quantité d’illumination sur les ailes, la production photovoltaïque et la charge et décharge des batteries. Une attention particulière a été apportée à la mesure sur les éléments constituant le drone solaire dans le processus de modélisation. Ces mesures ont permis d’extraire des paramètres équivalents afin d’alimenter le simulateur. Ce simulateur permet de prédire la puissance solaire effective produite par les panneaux solaires et la tension des batteries pendant le vol du drone. Les paramètres du vol tels que l’irradiance, les angles d’inclinaison du soleil et les angles d’Euler du drone ont été intégrés comme données d’entrée du simulateur. Une validation de celui-ci est assurée grâce au comparatif avec un vol réel effectué par le drone. Une étude paramétrique est également menée présentant l’effet des conditions climatiques et géographiques sur la durée de vol du drone.This thesis deals with a drone supplied by solar energy through the development of an energy simulator modelling its behavior during flight. The study focuses on a tandem wings UAV, the latter is equipped by four wings for which their respective surface areas are covered by solar panels based thin film gallium arsenide photovoltaic cells (III-V). Moreover, the drone is embedded with two lithium-ion battery packs to achieve a good flight duration. The design methodology for this work is built around the interface between electrical equivalent and mathematical models to evaluate the irradiance fraction on the wings, the photovoltaic production and the charge/discharge of the batteries. An extensive study was performed on the measurements of the energetic systems in the modeling process This data allowed the extraction of the equivalent parameters of the models improving the simulator. This simulator allows the prediction of effective photovoltaic power produced by the solar panels and the battery voltage during the drone flight. Flight parameters such as irradiance, Sun inclination angle and drone Euler angles have been considered as input parameters of the simulator and reported as function of the flight time. A validation process is performed with a comparison between a real flight operated by the UAV and the same simulated flight. Moreover, a parametric study is presented in order to evaluate the effect of both the climatic and geographical conditions on the flight duration
Signatures de la compétition des transitions polaire et distortive du titanate de strontium
No full textMONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocTOULON-BU Centrale (830622101) / SudocSudocFranceF
Intrinsically H\"older sections in metric spaces
No full textWe introduce a notion of intrinsically H\"older graphs in metric spaces.
Following a recent paper of Le Donne and the author, we prove some relevant
results as the Ascoli-Arzel\`a compactness Theorem, Ahlfors-David regularity
and the Extension Theorem for this class of sections. In the first part of this
note, thanks to Cheeger theory, we define suitable sets in order to obtain a
vector space over or \C, a convex set and an equivalence relation for
intrinsically H\"older graphs. These last three properties are new also in the
Lipschitz case. Throughout the paper, we use basic mathematical tools.Comment: We use (1) as the main definition. In Ascoli-Arzel\'a we can use the
second definition because we consider compact subset. In Proposition 1.5 Y
must be bounded. arXiv admin note: substantial text overlap with
arXiv:2205.0208
KF post deposition treatment in co-evaporated Cu(In,Ga)Se 2 thin film solar cells: Beneficial or detrimental effect induced by the absorber characteristics
No full textInternational audienc
17.2% efficiency CuIn 1− x Ga x Se 2 thin-film based mini-module thanks to alternative architecture yielding 81% fill factor
No full textInternational audienceAn alternative to conventional Cu(In,Ga)Se2 module structure is proposed and experimentally investigated. This alternative module structure, which consists in applying metallic buses to connect monolithically adjacent cells in series, is likely to offer the opportunity of minimizing both optical and electrical losses observed in conventional module structure compared to small area cells. The fabrication process of such alternative modules is presented. The performances achieved are discussed in comparison with a standard small-area-cell elaborated simultaneously. Despite slightly lower output voltage per cell, the alternative module structure demonstrates an efficiency of 17.2% (with 81% fill factor), against 16.4% (with 75% fill factor) for the standard cell. This promising result opens new routes to decrease the gap observed between small-area-cells and industrial modules
Modelling of photovoltaic production and electrochemical storage in an autonomous solar drone
No full textInternational audienceA simple, efficient simulator has been developed to predict the generation of photovoltaic energy and its storagein Li-ion batteries, for an autonomous drone with four wings covered by solar panels based on thin-film galliumarsenide photovoltaic cells (III–V). This simulator allows prediction of the effective photovoltaic power producedby the solar panels as well as the battery pack voltage when the drone is flying. Flight parameters such as irradiance,sun inclination angles, and drone Euler angles are considered as input parameters. The measuredphotovoltaic power and battery pack voltage are in good agreement with the simulated values, making practicaluse by the XSun company possible. This parametric study shows the effects of climatic and geographic conditionson drone autonomy. In optimal weather conditions on a sunny day, drone flight can last 12 h
Minimizing metastabilities in Cu(In,Ga)Se 2 /(CBD)Zn(S,O,OH)/i-ZnO-based solar cells
No full textInternational audienc
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