Impact du spectre solaire

L’influence principale des variations de spectre s’opère sur la génération de courant. En effet, rappelons que l’empilement en série des jonctions de la cellule engendre une limitation du courant de toute la cellule par la jonction générant le moins de courant. Il existe un spectre donné, donc un certain SMR^top_mid dans le cadre des cellules étudiées, pour lequel le courant de la sous-cellule top équivaut à celui de la sous-cellule middle. Ce point de convergence est caractérisé par le terme de current matching (équilibrage des courants), que nous utiliserons dans la suite du rapport. Des pertes en courant sont attendues en dehors de ce spectre optimal. Cet effet est visible pour les différentes technologies sur la figure 2.18. Les points tracés représentent la valeur I_sc/DNI en fonction du SMR^top_mid, normalisée par la taille de lentille pour permettre une meilleure comparaison entre les technologies.

Plusieurs résultats peuvent être tirés de ces courbes. Tout d’abord, nous constatons bien un maxima de photogénération pour chaque module (nommé CM sur les courbes pour Current Matched), point où les sous-cellules top et middle génèrent le même courant. Ce point correspond à une conversion optimale du spectre incident. Pour des valeurs de SMR^top_mid supérieures à ce point de current matching, la composante bleue est plus importante: un déséquilibre apparaît alors. la jonction top génère davantage de courant que la jonction middle, et c’est la jonction middle qui va imposer la valeur du courant de court-circuit Isc

Figure 2.18: Impact du ratio SMR^top_mid sur le rapport I_sc/DNI pour les technologies étudiées. La valeur d’I_sc/DNI a été normalisée par la surface de lentille pour permettre une meilleure comparaison entre technologies. Les pics observés correspondent aux conditions spectrales de current matching.

au point de current matching, où la génération de courant est limitée par la jonction top. Le SMR^top_mid pour lequel il y a current matching varie de manière conséquente en fonction de la technologie considérée: de ≃ 0,94 pour la technologie A, à ≃ 1,03 pour le module B. Ces valeurs sont à corréler aux observations faites dans la section 2.3: le module B se montre plus adapté au site d’étude où une valeur de SMR^top_mid de 1,1 prédomine pour des DNI > 700 W/m². De telles différences de comportements spectraux ne peuvent s’expliquer par des technologies de cellules différentes puisque les modules testés sont équipés de cellules triple-jonctions proches quant aux deux jonctions top et middle. C’est le comportement de l’optique de concentration, notamment sa transmittance optique pour la position et l’aire de la cellule considérée, qui va impacter le comportement spectral du module.

La dépendance de la photogénération au spectre incident peut ainsi être approximée par une fonction par morceaux, avec une valeur maximale pour les conditions de current matching. La pente des deux tendances (visibles en orange sur la figure 2.18) correspond aux pertes en courant résultant du déséquilibre spectral. Pour une variation de l’ordre de 0,1 du SMR^top_mid, nous observons une chute de la grandeur Isc/DNI d’environ 10% par rapport à la valeur maximale pour les différentes technologies. Cette perte en courant de court-circuit I_scva engendrer une baisse de rendement du même ordre de grandeur. Cet impact négatif va logiquement engendrer une baisse du rendement. Mais le rendement dépend également d’autres paramètres comme le facteur de forme FF. La figure 2.19 représente la variation de ce facteur FF avec le SMR^top_mid pour les différentes technologies.

Figure 2.19: Impact du ratio SMR^top_mid sur le facteur de forme FF pour les technologies étudiées.

Nous constatons une valeur minimale du facteur FF dans les conditions spectrales de current matching. L’effet du déséquilibre spectral entre les sous-cellules sur la courbe IV a été étudié dans [72]. Il a été montré que le facteur de forme FF augmente avec le déséquilibre spectral entre les sous-cellules. En effet, en parallèle d’une diminution de la photogénération de courant, nous observons une augmentation de la tension au point de puissance maximum, générant une augmentation du FF. Ceci se concrétise par un minima local au SMR^top_mid où il y a current matching. L’amplitude des variations diffèrent en revanche pour chaque module. Dans le cas des modules A et C, le facteur de forme se situe entre des valeurs de 84 à 79% . Pour le module B, la valeur oscille plutôt entre 83 et 77% et enfin pour le dernier module D, la plage est très large : de 69 à 85%. Ces variations de facteur de forme FF sont importantes et le déséquilibre spectral ne peut expliquer à lui seul de telles amplitudes. Dans [46, 73], les travaux se penchent sur d’autres sources de diminution du facteur de forme, et détaillent comment les non-uniformités spectrales et spatiales de l’irradiance sur la cellule, typiques pour chaque optique, causent des pertes de performance électrique. Il est ainsi possible que pour l’architecture optique du module D, des non-uniformités soient à l’origine des variations importantes de facteur de forme. Nous étudierons cela plus en détail dans le chapitre 4.

De l’effet combiné des variations de courant et de facteur de forme, découlent les variations de rendements représentées sur la figure 2.20. Nous constatons pour les modules A, B et C que le rendement évolue avec les mêmes tendances que le courant. En effet, la variation de courant avec le SMR^top_mid est plus importante que celle du facteur de forme. En conséquence bien que les tendances observées pour ces deux paramètres s’opposent, c’est la variation de courant qui prédomine sur la production d’énergie par le module. Le module D

fait titre d’exception, puisque le rendement parait plutôt stable avec les variations spectrales. Dans ce cas l’addition des comportements du facteur de forme et du courant s’annule et le rendement du module semble faiblement impactée par le spectre.

Figure 2.20: Impact du ratio SMR^top_mid sur le rendement pour les technologies étudiées. Les valeurs ont été filtrées en T_lentilleet T_cell pour s’affranchir des effets liés à ces paramètres.

Les variations observées en terme de facteur de forme ou de l’indicateur I_sc/DNI en fonction de la composition spectrale, bien que présentant des tendances claires, montrent une certaine variabilité. Nous avons volontairement, pour les graphes précédents, décidé d’appliquer des critères de filtrage larges, correspondant au filtrage de base, afin de souligner l’influence dominante de la composition spectrale dans la génération de courant. Ceci ne doit pas faire oublier que d’autres paramètres influent sur la génération de courant. En témoigne la figure 2.21, où le paramètre I_sc/DNI est représenté en fonction du SMR^top_mid pour le module B. L’échelle colorimétrique correspond à la température de lentille. Comme nous le verrons dans la section 2.6.2, ce module présente une sensibilité positive à la température T_lentilleparticulièrement importante. Pour la température T_lentille≃ 40°C, le point de current matchingest ici particulièrement visible, i.e pour SMR^top_mid égal à 1,04.

Au vu de cette observation, nous allons maintenant appliquer un filtrage plus serré sur les conditions d’opération pour observer la sensibilité spectrale de l’indicateur Isc/DNI. Nous allons utiliser une représentation graphique différente, appelée le diagramme des sous-cellules, très utile pour l’analyse de limitation spectrale du courant par les sous-cellules.

Figure 2.21: Evolution du rapport I_sc/DNI en fonction de l’indicateur de spectre SMR^top_mid. L’échelle colorimétrique montre l’influence de la température de lentille T_lentille sur la dispersion des valeurs.