Soutenance de thèse : Antoine PERELMAN

Vers un secteur photovoltaïque soutenable : stratégies pour réduire la consommation de ressources limitées et modules hautement recyclables

Doctorante : Antoine PERELMAN

Laboratoire INSA : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon
École doctorale : EDA n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

L'une des nécessités induites par le changement climatique est la décarbonation et l'augmentation de la production d'électricité. Les énergies renouvelables connaissent dans ce cadre un développement massif, porté notamment par le solaire photovoltaïque (PV). Cette forte croissance des énergies renouvelables et du secteur PV en particulier, bien que moteur pour l'amélioration technologique et la consolidation de ce marché, interroge quant à la capacité des chaînes d'approvisionnement à soutenir une telle croissance. Le concept de« matière critique» est donc pertinent pour traiter cet aspect. Les travaux de cette thèse visent à proposer une interconnexion de module PV réduisant la consommation de matières critiques et favoriser la récupération de matériaux de haute qualité en fin de vie du module. Dans un premier temps, une analyse des méthodes existantes de classification de la criticité des matières premières a été réalisée, menant à la proposition d'une méthode alternative pour mieux capter les spécificités du secteur PV. Celle-ci a été appliquée aux matériaux d'intérêt : Ag, Al, Bi, Cu, ln, Ni et Sn. Suite à l'étude des procédés de recyclage actuels, il ressort que la conception actuelle des modules PV limite fortement l'intérêt de leur recyclage. Les démarches d'écoconception poussent à la séparabilité des composants en fin de vie, sans perdre en performances durant l'utilisation du module. L'application de cette approche a conduit à la proposition d'une encapsulation en double couche (solide et liquide) permettant d'implémenter l'interconnexion par plaquage mécanique, le maintien en place des connecteurs ainsi qu'une transmission élevée du rayonnement incident. La simulation optique montre que cette encapsulation présente des performances au même niveau que les standards actuels. Deux propositions d'optimisation des indices optiques des matériaux d'encapsulation permettent d'espérer des gains jusqu'à 0,5 % de courant photo générés. Sans la contrainte du procédé de brasure des cellules PV en chaînes linéaires, la disposition des cellules PV dans le module et leur schéma électrique peut être envisagé plus librement. Une réflexion est approfondie autour du pavage de la surface du module par les cellules. Cela a nourri le développement d'un outil permettant de générer des motifs de métallisation issus de schémas d'interconnexion exotiques. L'aspect expérimental de ces travaux a consisté dans un premier temps à relever les défis technologiques de la réalisation de prototypes de modules PV. Ces études préliminaires ont permis de dégager un processus fiable de fabrication de module. La caractérisation électrique des modules produits a permis de constater leurs performances satisfaisantes, permettant d'atteindre 95 % de la puissance produite par les cellules initiales. Les résultats de tests après exposition à des vieillissements accélérés suggèrent qu'il reste une marge de progression sur la maîtrise de la fabrication, bien que ces résultats satisfassent déjà les normes commerciales. Dans le cas particulier de l'exposition UV, une coloration de l'encapsulation a été remarquée dans certaines zones du module et présente une forte détérioration des propriétés optiques. La capacité à séparer les différents composants du module à la fin de sa durée de vie a été validée par l'ouverture de modules réalisés. Quelques protocoles de mesure permettant de prendre en compte la spécificité de cette architecture de module ont aussi été mis en place. L'un d'entre eux a notamment confirmé l'importance cruciale de la résistance de contact entre connecteurs et métallisation de la cellule comme indicateur clé de la performance du module. Ces travaux mettent en lumière les risques significatifs qui pèsent sur les chaînes d'approvisionnement mondiales pour l'industrie PV. Ils soulignent la nécessité impérative de concevoir des modules PV plus alignés avec les principes de l'économie circulaire, afin de répondre aux défis actuels et futurs.