Autres pistes d’amélioration : l’influence du spectre

Le modèle développé dans notre étude prend en compte les propriétés opto-géométriques de l’environnement du module biface (ciel et application) mais pas les propriétés spectrales. Celles du ciel ne sont pas modifiables, par contre il pourrait être envisageable d’adapter celles des réflecteurs de l’application ou celles du module lui-même (par le choix des cellules et des matériaux).

La Figure 5.4 montre la réflectivité spectrale de quatre échantillons de revêtements de toitures blancs (Alwitra EVALON®_{, Stevens EV}®_{, Soprema SOPRASTAR}® _{et TPO ENERGY}®_{). Ces revêtements}

réfléchissants et étanches sont initialement destinés à être appliqués sur des toitures plates pour minimiser le flux de chaleur absorbé par le toit du bâtiment, et diminuer les effets des îlots de chaleur urbains. Ils sont de plus en plus utilisés pour augmenter les performances de centrales PV sur toitures plates (cas des modules Solyndra par exemple – voir Figure 1.12). Outre les réflectivités variables de ces revêtements dans le domaine visible et proche IR, on observe qu’ils absorbent tous les quatre le rayonnement en dessous de 400 nm. La comparaison avec le « backsheet » blanc utilisé pour réaliser notre module monoface (Isovolta ICOSOLAR® _{0711) montre la même coupure, en revanche le}

réflecteur utilisé dans notre banc de test façade verticale (PVC blanc) n’est pas limité dans les UVs. Ces considérations spectrales seront à prendre en compte lors du choix des matériaux et des cellules dans les architectures de modules bifaces à venir. Il se pourrait par exemple qu’il soit inutile de tenter d’améliorer la réponse spectrale de la face arrière des cellules dans l’UV (faible puisque les porteurs sont générés loin de la jonction PN – exemple pour les cellules de type N à la Figure 1.2 à droite), dans le cas où le module est utilisé dans une configuration où sa face arrière reçoit principalement du rayonnement issu d’un revêtement de toiture blanc typique (réflectivité faible en dessous de 400 nm). A l’inverse, le développement de revêtements de toiture plus performants dans l’UV pourrait s’avérer nécessaire.

Figure 5.4 – Réflectivité spectrale de différents échantillons mesurés au spectrophotomètre : quatre revêtements de toiture (courbes rouge, bleues, verte), un « backsheet » (courbe jaune) et le réflecteur blanc utilisé dans notre banc de test façade verticale (courbe noire).

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Pour comparer globalement les revêtements de toiture classiques au réflecteur utilisé dans notre étude, les réflectivités ont été intégrées sur tout le spectre dans le Tableau 5.1. Rmoyen représente simplement la

moyenne des réflectivités spectrales et Rsolaire intègre une pondération avec le spectre global de référence

AM1.5G (W/m²/nm) comme explicité par l’équation (5.1) (rapport du flux réfléchi sur le flux incident). D’une part, les Rsolaire sont tous plus élevés que les Rmoyen ce qui n’est pas surprenant puisque l’objectif

des fabricants de revêtement de toiture est de réfléchir au maximum le rayonnement solaire. D’autre part, on constate que le réflecteur utilisé dans notre étude (PVC blanc) donne des performances moyennes de l’ordre de 80%, comprises entre celles d’un revêtement bas de gamme (performances de l’ordre de 70%) et un revêtement haut de gamme (performances de l’ordre de 90%). Notons que le réflecteur PVC blanc avait été simulé par une peinture blanche de réflectivité 90% dans notre modèle optique. Cela constitue une source d’erreur dans nos simulations, en revanche elle est partiellement compensée (dans une proportion difficile à évaluer) par l’utilisation d’une peinture noire de réflectivité 10% modélisant les plaques de PVC noires ayant une réflectivité plus faible (Rsolaire = 4,9%).

𝑹_{𝒔𝒐𝒍𝒂𝒊𝒓𝒆} =∫ 𝑨𝑴𝟏. 𝟓𝑮(𝝀) · 𝑹(𝝀) · 𝒅𝝀 𝟏𝟐𝟎𝟎 𝟑𝟎𝟎 ∫_𝟑𝟎𝟎𝟏𝟐𝟎𝟎𝑨𝑴𝟏. 𝟓𝑮(𝝀) · 𝒅𝝀 (5.1) Alwitra EVALON Soprema SOPRASTAR Soprema TPO

ENERGY Stevens EV PVC blanc

Rmoyen 83,7% 67,0% 76,2% 82,7% 78,0%

Rsolaire 89,2% 70,4% 81,2% 87,8% 80,4%

Tableau 5.1 – Réflectivités moyennées entre 300 nm et 1200 nm, et pondérées par le spectre solaire selon l’équation (5.1), pour quatre revêtements de toiture (en rouge, bleu et vert) et le réflecteur blanc utilisé dans notre banc de test façade verticale (en noir).

De manière analogue à la section 1.2.2.1, nous avons évalué le rapport Jfar / Jfav en fonction de la longueur

d’onde, J(λ) étant la densité spectrale de courant définie à l’équation (1.10) et appliquée à chaque face du module. La Figure 5.5 est à comparer avec la Figure 1.10. Dans le cas présent, on étudie un module biverre recevant directement le rayonnement solaire en face avant et indirectement (renvoyé par un réflecteur) en face arrière. Les rayonnements arrivent en incidence normale, et on considère cette fois une cellule comme totalement opaque (voir schéma Figure 5.5 à gauche). Dans ces conditions les Jfar et

Jfav s’expriment par les équations (5.2) à (5.5). Tous les paramètres de ces équations sont définis à la

section 1.2.2.1 (excepté la réflectivité spectrale du réflecteur utilisé dans l’air R(λ)).

𝑱𝒇𝒂𝒓(𝝀) = 𝒒 · 𝝀

155 𝑬𝑸𝑬_{𝒎𝒐𝒅−𝒇𝒂𝒓}(𝝀) = 𝑻_𝒂𝒗· (𝟏 − 𝑨_𝒗) · 𝑻_𝒗𝒆· (𝟏 − 𝑨_𝒆) · 𝑻_𝒆𝒄· 𝑰𝑸𝑬_{𝒄𝒆𝒍𝒍−𝒇𝒂𝒓} (5.3) 𝑱𝒇𝒂𝒗(𝝀) = 𝒒 · 𝝀 𝒉 · 𝒄· 𝑨𝑴𝟏. 𝟓𝑮(𝝀) · 𝑬𝑸𝑬𝒎𝒐𝒅−𝒇𝒂𝒗(𝝀) (5.4) 𝑬𝑸𝑬_{𝒎𝒐𝒅−𝒇𝒂𝒗}(𝝀) = 𝑻_𝒂𝒗· (𝟏 − 𝑨_𝒗) · 𝑻_𝒗𝒆· (𝟏 − 𝑨_𝒆) · 𝑻_𝒆𝒄· 𝑰𝑸𝑬_{𝒄𝒆𝒍𝒍−𝒇𝒂𝒗} (5.5)

Il en résulte une expression du rapport Jfar / Jfav à l’équation (5.6) plus simple que l’équation (1.13)

puisque le module est symétrique (biverre) : 𝑱𝒇𝒂𝒓

𝑱_𝒇𝒂𝒗(𝝀) = 𝑹(𝝀) ·

𝑰𝑸𝑬𝒄𝒆𝒍𝒍−𝒇𝒂𝒓(𝝀)

𝑰𝑸𝑬_{𝒄𝒆𝒍𝒍−𝒇𝒂𝒗}(𝝀) (5.6)

La Figure 5.5 à droite compare ce rapport pour le réflecteur utilisé dans notre étude (PVC blanc) et pour un réflecteur performant (Alwitra), ainsi que pour une cellule de type N et une cellule à hétérojonction HET fabriquées à l’INES (voir explications sur ce type de cellules en section 1.1.1.2). On observe que la contribution de la face arrière est plus élevée de manière significative dans les UVs pour une cellule de type N associée au réflecteur PVC blanc. Nous avons donc certainement bénéficié de cet avantage dans notre étude, ce qui n’aurait pas été le cas si nous avions utilisé des modules à cellules HET (réponse spectrale plus faible dans les UVs) ou des revêtements de toitures blancs typiques (réflectivité spectrale plus faibles dans les UVs). Dans le cas d’une application façade verticale, il pourrait être simple et peu coûteux d’utiliser une peinture blanche. Dans ce cas-là il faudrait identifier des peintures très réfléchissantes et spectralement adaptées aux modules utilisés.

Figure 5.5 – (gauche) Modèle en coupe d’un module biverre à cellules bifaces dans le cas d’une incidence normale (épaisseurs non-proportionnelles à la réalité). (droite) Proportion de la densité de courant captée par la face arrière en fonction de la longueur d’onde pour le réflecteur de notre banc de test et pour un revêtement de toiture haut de gamme, combinés avec l’utilisation de cellules de type N ou HET.

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5.2. Perspectives de développement de la