Amélioration des modules photovoltaïques à faible impact grâce à une stratégie hybride expérimentale/numérique

La production annuelle de modules photovoltaïque (PV) croit régulièrement depuis plusieurs décennies. En 2022, elle a atteint les 400 GWc et elle devrait dépasser les 1 TWc avant 2030. Ces modules représentent un investissement considérable en termes d’argent, d’émissions de carbone, énergétique, etc. Puisque l’énergie produite par un module PV croit avec le temps, la pertinence de ces investissements croit avec leur durabilité et leur fiabilité. Dans une architecture de module classique, les cellules sont enrobées dans un élastomère, l’encapsulant. Cette couche interne joue plusieurs rôles clefs. Notamment, elle distribue les efforts auxquels les modules sont exposés, elles assurent l’intégrité mécanique du module et de ce fait, elle rend la séparation des couches particulièrement difficile lors du recyclage. Enfin, une façon alternative d’accroitre la pertinence de l’investissement est de réduire l’ampleur de l’investissement. Cela peut être réalisé en réduisant la quantité de matière utilisée ou encore en utilisant des matériaux facilitant le recyclage ou provenant de sources renouvelables.
Dans cette thèse, on se concentrera sur les problèmes de délamination rencontrés lors du vieillissement des modules. Les conditions d’apparition et de propagation de ces défauts critiques seront étudiées de manière expérimentale et théorique. L’impact des paramètres intervenant dans le problème sera également traité. Cela inclut la nature de l’encapsulant en lien avec la recyclabilité des modules mais aussi l’impact du procédé, de l’architecture et du vieillissement. En particulier, l’impact de la quantité d’encapsulant utilisé sera évalué. Ces travaux s’appuieront sur les moyens et expertises de deux laboratoires, le CEMEF (Sophia Antipolis, Mines ParisTech) et le CEA-INES (Bourget-du-Lac).

Développement d’une nouvelle génération de films d’encapsulation recyclables pour modules photovoltaïques

Dans le contexte de la transition énergétique, l’énergie solaire photovoltaïque (PV) représente une part croissante de la production mondiale d’énergie électrique, et cette dernière représente elle-même une part croissante de la production mondiale d’énergie. La production et le déploiement massif de modules PV induit des pressions croissantes sur l’environnement. Notamment, à cause de l’extraction des matières premières nécessaires à leur production et de leur prise en charge en fin de vie. Le recyclage permet d’agir simultanément sur ces deux sujets.
Les modules PV sont constitués de couches de natures différentes laminées ensemble. Le cœur du module contient les cellules PV enrobées dans un élastomère, l’encapsulant. Ce matériau joue plusieurs rôles : propriétés barrières, protection mécanique, etc. Actuellement, les encapsulants utilisés sont généralement des copolymère EVA réticulés ce qui rend le recyclage particulièrement difficile.
Ce travail de thèse aura pour but de développer un encapsulant vitrimère pour l’application PV. Un encapsulant de cette classe de polymère aux liaisons échangeables pourrait drastiquement simplifier le recyclage sans compromettre l’intégrité du module en service.
Ce travail débutera par la formulation de l’encapsulant à propriété vitrimère par modificationchimique d'élastomèrespar extrusion réactive. Il se poursuivra par la caractérisation de ses propriétés (thermo-réversibilité, rhéologie, propriétés barrières) jusqu’à sa mise en module. Le développement sera itératif, conduisant à la réalisation d’essais dans des conditions représentatives de l’application à divers stades du développement. Il s’appuiera sur les moyens et expertises des trois laboratoires partenaires LCMCP (Sorbonne Université), PIMM (ENSAM) et LITEN (CEA).
La thèse se déroulera principalement en région parisienne.

ClimatSunPV: Etude de composants PV intégrés au bâti aux fonctionnalités photoniques, capacité d'auto-rafraichissement et contribuant à l’atténuation des effets d’ilot de chaleur urbain

L’intégration de modules PV au bâtiment ou à d’autres applications en particulier présente différentes contraintes réduisant leur performance électrique par rapport à des installations au sol due à la modification de leurs conditions de fonctionnement. L’objectif de cette thèse serait la recherche d’une méthode de conception globale d’une façade BIPV en vue d’optimiser sa production et son impact sur le système d’intégration (bâtiment…) en palliant ses contraintes : ombrages statiques et mobiles, gradients de températures dus à l’albédo en partie basse, ensoleillement favorable surtout en période froide, surchauffe localisée… Pour cela, différentes approches seront envisagées :
1- Optimiser la gestion de température du champ PV ou l’uniformisation du champ de températures par convection forcée (par air ou par eau) : cas d’une façade (ou toiture) double peau (extraction voire récupération de chaleur en face arrière des modules PV à travers l’analyse numérique et expérimentale des chemins (écoulement d’air) de ventilation naturelle ou forcée) et cas d’une façade (ou toiture) monomur (autres méthodes de refroidissement);
2- Refroidissement passif des systèmes BIPV et PV : recherche à partir de modèles numériques et d’études expérimentales et validation de solutions technologiques passives simples (ailettes, dissipateurs thermiques, matériaux gradués, matériaux à effet photonique, entre autres).

Développement d'un module prédictif de puissance électrique pour un module photovoltaïque soumis à des contraintes spatiales

Le CEA développe des nouvelles architectures cellules et modules ainsi que des outils de simulation pour évaluer les performances électriques des systèmes photovoltaïques (PV) dans leur environnement de fonctionnement. Un des modèles appelé CTMod (Cell To Module) développé au CEA, permet de tenir compte des différents matériaux constituant le module, mais aussi, des différentes architectures de cellules. Pour les applications spatiales, la communauté souhaite utiliser les technologies terrestres à base de silicium intégrables sur des PVA (Photovoltaïc Assembly) flexibles. L’environnement spatial impose de très fortes contraintes. Une évaluation pertinente des performances en début et fin de mission est donc indispensable pour leur dimensionnement.
L’objectif de la thèse est de corréler les modèles physiques de dégradation rayonnement-matière spécifique pour une utilisation dans le domaine spatial avec les modèles électriques des cellules photovoltaïques. Les dégradations des performances liées aux différentes irradiations électrons, protons et ultraviolet (UV) de l’environnement spatial seront évaluées et validées expérimentalement. Associé au modèle CTMod, cette nouvelle approche jamais abordée dans la littérature permettra d’avoir une compréhension plus pointue des interactions entre les radiations et les PVAs. Ces dégradations sont issues de phénomènes de dépôts d’énergie non ionisants, quantifiés par la dose de défauts par déplacement, et ionisants quantifiés par la dose ionisante totale pour les protons et électrons. Pour les UV, l’excitation des électrons de la matière engendre des ruptures de chaînes dans les matériaux organiques et des centres colorés dans les matériaux inorganiques. Dans un premier temps la cellule solaire utilisée dans le modèle sera une cellules Silicium, mais le modèle pourra être complété avec d’autres types de cellules solaires en développement telles que les cellules à base de perovskite.

Convertisseur de puissance d’interface avec les réseaux MVAC et MVDC

Dans ce sujet de thèse, nous proposons un convertisseur de puissance d’interface avec les réseaux MVAC et MVDC. Les stratégies de contrôle GI-PC pour fournir des services système et faciliter la gestion et la protection du réseau seront étudiées (ex : support du plan de tension, étude des résonances, MVRT : Medium Voltage Ride Through, etc...). Un prototype numérique de GI-PC au niveau MV sera proposé mettant en œuvre les algorithmes de contrôle. La validation du prototype comprendra la régulation du bus MVDC selon différents scénarios. Le GI-PC peut contribuer pour :
• Fournir une interface connectée au réseau pour divers systèmes MVAC tels que le routeur de puissance
• Fournir une interface de distribution pour différents niveaux de systèmes DC
• Améliorer la qualité de l'énergie des systèmes de distribution MVAC
• Fournir une interface connectée au réseau pour les sources DC de haute puissance telles que les stations de recharge de véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie par batterie, l'H2, les parcs photovoltaïques et éoliens.
• Autres fonctionnalités : prise en charge des défauts (pare-feu), réduction des déséquilibres, auto-reconfiguration (redondance), adaptation de la mise à la terre, isolation galvanique…

Fissuration des panneaux solaires sous impacts hypervéloces

Avec l'augmentation du nombre de débris spatiaux et de satellites en orbite basse, la vulnérabilité des panneaux solaires installés sur ces satellites devient un problème majeur. Dans ce contexte, le CEA-Liten développe de nouvelles solutions de panneaux solaires utilisant des matériaux flexibles avancés qui pourraient être utilisés pour des assemblages photovoltaïques (PVA) pliés en Z ou enroulables. L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier les comportements à l'impact et post-impact de ces nouveaux PVA solaires sous impact à hyper-véloces de projectiles de taille millimétrique.
Les laboratoires IDL, CEA et 3SR proposent de développer une stratégie basée sur les étapes suivantes : identification des niveaux de charge et de pression par une série de simulations numériques, caractérisation du comportement mécanique des matériaux et des interfaces impliqués dans le PVA solaire par des essais à haute vélocité de déformation grâce à des expériences de barres d'Hopkinson et d'impact de plaques, identification des équations d'états et des modèles constitutifs d'endommagement et de rupture et leur implémentation dans des codes numériques, prédiction de l'endommagement et de la rupture dans le PVA soumis à un impact hyper véloce et comparaison avec des données expérimentales par des essais d'impact considérant une large gamme de vitesses d'impact.

Stabilisation de dispositifs photovoltaïques Pérovskite par passivation avec des matériaux type Metal-Organic Frameworks

Les MOFs sont un type de matériaux poreux hybrides organiques-inorganiques avec des propriétés intéressantes du point de vue de la passivation des défauts de la pérovskite et de sa stabilité, notamment lumineuse. Par exemple :
• Effet direct des composants du MOF comme agents de passivation : Les ions métalliques et ligands organiques peuvent passiver des défauts à l’interface MOF/PK.
• Effet de « downconversion » du rayonnement incident : Certains métaux (comme l’europium) ou ligands (avec groupes aromatiques) peuvent absorber les rayonnements de haute énergie (violet / UV proche typiquement), puis réémettre cette énergie sous forme de rayonnement de moindre énergie ou la transmettre directement de manière non radiative à la pérovskite par résonance Förster (ou FRET). Ceci permet de protéger la pérovskite des photons de haute énergie, donc a priori d’améliorer la stabilité lumineuse, avec peu de pertes énergie.
Le travail de thèse concernera :
• l’intégration de MOF dans la couche pérovskite, en traitement de surface ou mélange de suspensions (à noter qu’un travail de stage préalable permettra de définir les voies les plus prometteuse dans le cadre de la thèse)
• Les études matériaux (notamment études avancées par XPS et UPS)
• La réalisation de dispositifs simple jonction puis tandem avec sous cellule silicium
• L’étude de durée de vie sous illumination (continue, cyclage) avec caractérisations associées (mesure électriques, photoluminescence, etc..)

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