Étude de l’effet des films de protection sur le rendement des panneaux solaires flexibles


Résumé : Les cellules solaires dites organiques sont typiquement constituées d’une ou plusieurs couches organiques prises en sandwich entre deux électrodes conductrices dont un est transparent à la lumière. Dans ce cadre, nous avons étudié l’effet des films de protection sur le rendement des  panneaux solaires flexibles et la possibilité d’imprimer des images là-dessus. Les résultats de comparaison obtenus sont présentés dans ce travail et peuvent contribuer à l’amélioration des pertes à cause de l’encapsulation des cellules organiques.

Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs : sulfure de cadmium (CdS), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Parmi les cellules prometteuses, les cellules solaires dites organiques. Il en existe principalement trois type : Les cellules photovoltaïques organiques à base de petites molécules, en polymères et hybrides. Elles bénéficient du faible coût potentiel des semi-conducteurs organiques ainsi que de nombreuses simplifications dans le processus de fabrication (impression). On distingue dans les semi conducteurs organiques les polymères, qui se déposent par centrifugation, petites molécules déposés eux par thermo-évaporation. En utilisant comme substrat du plastique (PEN, PMMA ...). Les polymères offrent la perspective d'une production en continu (roll-to-roll) qui permettrait enfin l'accès à des panneaux solaires à un prix raisonnable. Encore au stade de recherche expérimentale (avec les tentatives de commercialisation de la part de Konarca et Sdarmer), les rendements ont dépassé le 8% (Le record mondial est de 8,5% en 2011 à été établi par mitsubishi chemical Corp1). Avant une commercialisation de masse, des avancées concernant l'efficacité et l’encapsulation (pour augmenter la durée de vie) doivent encore être réalisés. En effet, l'oxygène, très électronégatif, réagit avec les électrons en excès et réduit fortement le niveau de dopage. Donc les travaux à réaliser pour enlever ces verrous technologiques peuvent être résumés dans :
  • Trouver la bonne composition des matériaux organiques (qui peuvent réagir avec le maximum des couleurs du spectre solaire et qui peuvent être déposé par des techniques bas coûts).
  • Trouver les meilleures électrodes, notamment les transparents (qui peuvent laisser passer le maximum des couleurs du spectre solaire et qui peuvent être déposé par des techniques bas coûts).
  • Trouver les meilleurs matériaux d’encapsulation (qui empêchent l’infiltration de l’oxygène sans influencer le passage de la lumière).

C’est dans ce cadre que s’inscrit ce travail. Il s’agit d’étudier l’effet des films de protection sur le rendement des  panneaux solaires flexibles. Cette étude peut contribuer dans l’amélioration des pertes à cause de l’encapsulation des cellules organiques. La transmission optique des films à été déterminée à l’aide d’un spectrophotomètre UV – visible - proche IR (SAFAS 200 DES) à double faisceau couvrant la gamme de longueurs d’ondes 170 nm à 1010 nm avec une résolution de 1nm. Ainsi, nous avons mesuré la transmittance T en fonction de la longueur d’onde. Mesurer un spectre d’absorption revient à mesurer la transmission d’un échantillon en fonction de la longueur d’onde définit par:

Afin de mesurer la transmission ou l’absorption par le spectrophotomètre UV, il faut tout d’abord relever une ligne de base qui correspond dans notre cas à l’absorption du substrat de verre. Au départ nous avons testé la transmission des trois films (d’impression, de protection et diffusants) ce qui a donné les résulats suivants :
Figure 1 : Transmission des films diffusants

On peut remarquer qu’il n’y a pas beaucoup de pertes de transmission pour les films de protection et d’impréssion ( plus de 80% de transmission). Par contre les films diffusants ont des domaines de transmission priviligiés différents.
Le teste des différents films de protection appliqués sur le panneau solaire flexcell a donné les résultats suivants pour les caractéristiques courant-tension I(V):



Figure 2 : Comparaison des pertes en fonction des films appliqués                                                   sur les panneaux commercialisés par Flexcell.
La comparaison entre les figures 2a, b, c et d reste visuelle et on peut voir que les films jaune et blanc transparent ont moins de perte que le vert et l’orange. On constate aussi que l’ajout de films colorés diminue considérablement le rendement. Le film dit blanc est en fait un film différent qui laisse passer beaucoup de lumière. Les différents films qu’il est envisagé de déposer limitent tous considérablement le rendement des cellules qui ne devront en aucun cas être entièrement recouvertes.
Lors des tests, les panneaux solaires testés (taille 1645cm2) sont constitués de cellules photovoltaïques élémentaires rectangulaires de 1 cm par 30cm, ont reçu une luminance de 0,5 sun. On retrouve les résultats avec et sans feuille de protection où le Vco est de l’ordre de 29 à 30V mais toujours avec diminution de la résistance de Shunt.
Les tentatives d’impression avec différents films autocollants diminuent toujours considérablement les rendements et seul des inscriptions localisées peuvent être envisagées.
On remarque que lorsque le quart du panneau (figure2.d) est caché par un film non transparent le rendement est moins affecté que dans le cas ou la même surface est recouverte de façon aléatoire (écriture d’un texte). En écrivant, on cache une certaine partie des cellules élémentaires alors qu’avec le rectangle les cellules cachées le sont entièrement. Manifestement, si on doit cacher certaine partie du panneau, il vaut mieux faire des figures qui suivent la géométrie des cellules élémentaires. Ceci peut être expliqué par le travail des diodes anti décharge : quand la cellule est dans l’obscurité les diodes bloquent la décharge et par conséquent on récupère toute l’énergie produite par les cellules exposées à la lumière. Dans le cas où les cellules cachées débitent du courant les diodes ne bloquent rien, et vu qu’elles produisent moins que celles qui sont exposées au rayon lumineux, il y a une décharge dans les premières donc une perte d’énergie.
Conclusion: Dans ce travail, nous avons montré que les films de protection, de toutes les couleurs ont un grand effet sur le rendement des cellules photovoltaïques, à part le rouge et l’infrarouge. Par contre le fait d’imprimer une image sur le panneau reste possible en étudiant la surface de certaines couleurs de l’image pour permettre un minimum de perte aux niveaux du rendement. En perspective, il reste à déterminer le bon compromis entre les couleurs et la surface exposée directement au soleil et d’affiner les recherches pour trouver le meilleur.

Bibliographie :
Electronique et photo-électronique des matériaux et composants.
Electronique des matériaux [Texte imprimé] / André Moliton.
1Mitsubishi chemical Corp
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