Post-doc en simunlation numérique 2D de cellules solaires tandem perovskite/heterojonction de silicium
Le CEA-INES recherche un(e) post-doctorant(e) pour travailler sur la simulation 2D de cellules solaires tandem pérovskites/hétérojonction silicium. Le candidat aura la responsabilité de développer un modèle de la cellule tandem PK/SHJ sur le progiciel de simulation TCAD Silvaco. Une description réaliste des matériaux sera mise en œuvre, basée sur une caractérisation interne des couches réellement utilisées (potentiellement réalisée lors du post-doc), ou sur la base de la littérature. Ensuite, l'accent sera mis sur l'ajustement de l'interface entre les deux sous-cellules (dite jonction de recombinaison, ou jonction tunnel). Ce modèle sera ensuite utilisé pour améliorer notre compréhension du principe de fonctionnement des cellules tandem. En particulier, l'inhomogénéité des propriétés des couches, les défauts et leur influence sur le rendement des cellules seront étudiés et confrontés aux résultats expérimentaux. Enfin, des stratégies pour atténuer l'influence de ces défauts seront définies pour aider les équipes de développement à augmenter le rendement des dispositifs sur de grandes surfaces. Pour ce poste postdoctoral, le candidat doit avoir une solide expérience en physique des semi-conducteurs, ainsi qu'une expérience préalable dans l'utilisation d'outils de simulation. Il/Elle aura besoin de solides compétences organisationnelles et sera disposé à mener des travaux théoriques. Les résultats seront publiés dans des revues à comité de lecture, ainsi que lors de conférences.
Modélisation des dégradations induites par le potentiel dans les modules photovoltaïques moyenne tension
La technologie des centrales PV moyenne tension (MT) s'inscrit dans le cadre de PV EVERYWHERE. Cette stratégie permet de diminuer les coûts des centrales grâce à la diminution du nombre de câbles et de leur sections ainsi que d'une infrastructure plus simple à opérer. Pour permettre ces gains, il est nécessaire de disposer de modules MT résistants jusqu'à 9 kV.
Les objectifs de ce projet sont : (i) développer un modèle physique pour rendre compte des dégradations des modules PV en fonction des niveaux de tension lors de son fonctionnement, (ii) définir des protocoles de tests pour les matériaux constitutifs des modules PV pour fournir les données d'entrée des modèles, (ii) fabriquer un module PV résistant aux dégradations PID.
Le projet débutera par une phase de développement des protocoles de tests pour alimenter les modèles de transport ioniques qui nous permettront de décrire les modes de dégradation attendus en fonction de la composition du module. Grâce aux résultats obtenus de la simulation, les pistes de solution évoquées seront testées pour identifier les matériaux adéquats pour aboutir à la fabrication d'un module résistant à la MT jusqu'à 9 kV.
Conception du packaging des modules PV de haute performance
La durée de vie de nouvelles générations de modules photovoltaïques est de 25-30 ans en conditions externes. Le packaging joue un rôle critique pour répondre à ses exigences de fiabilité et de durabilité. Les cellules solaires sont protégées par du verre en face avant et des couches plastiques complexes sont employées comme encapsulant en face avant et arrière, en contact avec la face arrière. Les encapsulants ont de multiples rôles; forment une couche barrière contre l’humidité, oxygène, radiation ultra-violet, assurent l’isolation électrique et la protection mécanique des plaquettes de silicium fragiles tout en gardant une transparence optique élevée. Le procédé de fabrication industriel des modules est la lamination, qui impose des exigences supplémentaires pour la formulation des encapsulants.
L’objectif de ce post-doc est d’établir une corrélation entre les propriétés des matériaux, leur mise en forme et le comportement thermo-mécanique des modules innovants avec des cellules hétérojonctions, back-contact ou silicium/pérovskite tandems. La caractérisation avancée des polymères sera étroitement déployée lors de cette étude utilisant notamment DSC, DMA, adhésion, ATG, WVTR, extraction Soxhlet etc. La corrélation entre les paramètres de la lamination et la tenue mécanique des panneaux constituera un des axes majeurs de recherche. Le choix des encapsulants et de tous les matériaux sera fortement guidé par l’éco-conception pour réduire l’impact environnementale du packaging et augmenter la recyclabilité, et renforcer le ré-emploi des plastiques. Ce post-doc s’inscrit dans une collaboration européenne sur le sujet.
Développement de matériaux silicium résistants aux irradiations et intégration dans des cellules photovoltaïques pour applications spatiales
Historiquement, le photovoltaïque (PV) s’est développé conjointement avec l’essor de l’exploration spatiale. Au cours des années 90, les cellules solaires multi-jonctions, basées sur un empilement de matériaux III-V, ont progressivement remplacé le silicium (Si), bénéficiant de performances et de tenues aux irradiations électrons/protons supérieures. Aujourd’hui, le contexte est favorable à un renouveau du Si spatial : besoins de puissance PV croissants, missions à durées & contraintes modérées (LEO), cellules Si terrestres très bas coût (€/W Si ~ III-V/500), émergence de nouvelles technologies Si qui présentent des rendements élevés sur Si de type p… Dans l’espace, les cellules solaires PV sont exposées aux rayonnements cosmiques, notamment aux bombardements par des protons et électrons. Ces irradiations affectent les performances des cellules Si, essentiellement en raison de la formation de défauts volumiques recombinants pour les porteurs de charge. Afin de favoriser l’utilisation de cellules Si dans l’environnement spatial, il est donc essentiel d’améliorer leur résistance aux irradiations. Il s’agit du principal enjeu de ce projet de post-doc. Pour cela, les travaux vont tout d’abord se concentrer sur l’élaboration d’un nouveau matériau silicium, avec des propriétés compositionnelles lui conférant une résistance accrue aux irradiations par les électrons. Plus précisément, le matériau contiendra des éléments limitant la formation de défauts volumiques sous irradiations, et développant des effets de passivation électrique. Les propriétés électroniques de ce matériau seront évaluées et analysées avant et après irradiation. Dans un second temps, des cellules haut rendement à hétérojonction seront élaborées à partir de ce silicium inédit, et leurs performances électriques évaluées et analysées avant et après irradiation. Les développements pourront être appuyés par des simulations numériques, effectuées à l’échelle des dispositifs PV.
Modélisation des défauts sur les réseaux DC basse tension dans les bâtiments, vers des algorithmes de détection de défauts
Le développement de l'usage des énergies renouvelables et du stockage de l'énergie ainsi que les progrès faits par les composants d'électronique de puissance amènent progressivement à repenser les architectures des réseaux électriques de distribution basse tension dans les bâtiments. Ces évolutions permettront un développement des réseaux à courant continu ou mixtes alternatif-continu alimentés par des convertisseurs statiques. Sur ce type de réseau, les défauts deviennent plus difficiles à gérer du fait des sources de puissance utilisées. En effet, les signatures habituelles du court-circuit ou de la surcharge ne sont plus les mêmes et vont varier en fonction des convertisseurs utilisés et de l'architecture du réseau. Pour cela, il convient d'identifier, par la simulation, les topologies de protection les plus adaptées (par les régimes de neutre par exemple) et d'identifier les signatures types des défauts. In fine, ces signatures permettront de disposer de dispositifs de détection optimums.
Irradiations de cellules silicium haut rendement pour le spatial
Historiquement, le photovoltaïque s’est développé conjointement avec l’essor de l’exploration spatiale. Au cours des années 90, les cellules solaires III-V multi-jonctions ont progressivement remplacé le silicium, bénéficiant de performances et tenue aux irradiations supérieures. Aujourd’hui, le contexte est favorable à un renouveau du Si spatial : besoins de puissance PV croissants, missions à durées & contraintes modérées (LEO), cellules Si terrestres très bas coût & performante (type-p > 26% AM1.5g). Cependant, pour les cellules Si les méthodes et séquences de vieillissement sous irradiations classiques (ECSS) sont moins appropriées. La littérature datant principalement des années 1980 – 2000, il faudra revisiter la thématique avec les cellules Si dernière génération à contacts passivés (élaborées à l’INES) et les moyens uniques d’irradiation double faisceau du CEA (plateforme JANNuS du CEA Saclay).
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet SiNRJs à l’interface entre deux directions du CEA, sur les thématiques photovoltaïques spatial & irradiations matériaux. L’approche scientifique et technologique adoptée: 1. Fabrication de cellules Si à contacts passivés (HeT et/ou Poly-Si) d’épaisseur variable 2. Caractérisations optoélectroniques des propriétés des cellules avant irradiations (IV AM1.5/AM0, EQE, etc.) 3. Irradiations protons des cellules et échantillons, caractérisations in situ (Raman et Electroluminescence) 4. Caractérisations ex situ des propriétés optoélectroniques des cellules après irradiations (IV AM1.5/AM0, EQE, etc) 5. Analyse et synthèse des résultats. Scientifiquement, les verrous à lever concernent donc la compréhension des mécanismes/dynamiques de création/guérison de défauts sous cette double excitation électronique et balistique.
Système de charge solaire décentralisé pour la mobilité durable en Afrique rurale
Une nouvelle station de recharge solaire autonome (SASCS) sera déployée en Éthiopie. Étant donné que 45 % de la population de l'Afrique subsaharienne n'a pas d'accès direct aux réseaux électriques et que l'infrastructure nécessaire pour exploiter de manière fiable d'autres sources d'énergie est largement inexistante pour bon nombre de ces populations en Éthiopie, l'introduction de la SASCS dans certaines communautés rurales du pays est un effort nécessaire. Il pourrait revigorer le secteur agricole des communautés et soutenir ceux dont l'emploi est lié à l'agriculture. Un SASCS pourrait également servir à intégrer les énergies renouvelables dans le mix électrique existant du pays. Le CEA INES agira en tant que partenaire-conseil pour la conception et la mise en œuvre de la solution (les batteries de seconde vie, le solaire seront étudiés). En outre, en raison de l'expertise établie du CEA INES dans l'installation d'outils solaires au sein de diverses communautés, l'initiative fournira également un savoir-faire pour l'installation du SolChargE en Ethiopie et coopérera à l'organisation d'ateliers pour les étudiants et les techniciens employés par le projet.
Développement de panneaux solaires flexibles pour applications spatiales
Les panneaux solaires utilisés conventionnellement pour alimenter en énergies les satellites sont encombrants et reliées entre eux par de lourdes pièces mécaniques. Plus légers et plus compacts, les panneaux solaires flexibles consistent en une peau souple servant de support aux cellules solaires qui transforment la lumière en électricité. Etant flexibles, les panneaux solaires pourraient s’enrouler ou se plier, sans l’aide de moteurs, les rendant ainsi moins lourds et coûteux que les panneaux solaires conventionnels.
D’un autre côté, le secteur des satellites est en train de migrer d’une configuration mono satellitaire à une configuration de constellation de satellites. Ces dernières années, le besoin de production de masse de satellites légers s’est accru. Les fabricants de panneaux solaires sont mis à l’épreuve sur leur capacité à affronter ces nouveaux besoins en termes de capacité de production et d’adaptabilité de leurs lignes de production. C’est exactement sur ces points que le photovoltaïque spatial peut apprendre du photovoltaïque terrestre.
Pour affronter ces nouveaux défis, le Liten a commencé à travailler sur ces sujets il y a plus de deux ans. Dans le cadre de ce post-doc, nous proposons de développer une architecture innovante de panneau solaire flexible en utilisant des procédés de fabrication à fort potentiel industriel. Nous cherchons pour cela un candidat avec une forte expérience dans le domaine des polymères et de leur mise en œuvre, avec aussi une expérience en mécanique. Toute expérience antérieure dans le photovoltaïque sera avantageusement considérée.
Gestion optimale d’un système énergétique tertiaire
Dans le cadre de la solution ciblant les sites tertiaires ou résidentiels qui consomment et produisent de l’énergie électrique, l’objectif est d’optimiser l’utilisation de leur énergie en fonction de critères économiques ou contraintes réseaux (adaptation de la demande) sans perturbation du confort des utilisateurs. L’objet de ce poste est de développer une solution de « gestion optimale de l’utilisation du solaire dans un bâtiment tertiaire intégrant des bornes de recharge VE et du stockage ». Selon trois objectifs : - Minimiser le cout de la consommation en fonction d’un tarif dynamique
- Maximiser l’utilisation de l’énergie solaire
- Minimiser la puissance appelée du réseau. Tout en prenant en compte le LCOS (Levelised Cost Of Storage) de la batterie. Le Post-Doc devra contribuer et participera à: - Spécification de cahier des charges d’un système tertiaire - Développement des algorithmes de gestion d’un système tertiaire - Déploiement et test de la solution proposée.
Simulation de cellules solaires silicium à partir de matériau de type n : modélisation et optimisation de l’architecture.
Des technologies de fabrication de cellules à base de silicium de type n sont en cours de développement à l’INES. Le travail de simulation des cellules photovoltaïques permet d’accélérer le développement de nouvelles filières à plusieurs niveaux : interprétation physique des résultats de caractérisation, aide à la conception des dispositifs, optimisation des procédés et exploration de concepts originaux. Le sujet du post-doc est centré sur l’étude des modèles semi-empiriques pour les matériaux et les procédés utilisés pour les cellules de type n. Ces briques élémentaires seront mises en oeuvre dans un modèle complet résultant de leur assemblage de type circuit avec un outil de simulation muulti-échelle. Au final, un tel outil permettra d’optimiser la structure géométrique de l’émetteur de type p, de l’efficacité de collecte des porteurs de la face arrière et de la géométrie des contacts électriques métalliques.