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08 juil
08/07/2019

Sciences & Société

Soutenance de l'Habilitation à Diriger des Recherches en sciences : Mohamed Amara

Analyse multiphysique et multiéchelle des composants photovoltaïques

[HDR - soutenance publique]

Chargé de recherche : Mohamed Amara

Rapporteurs                           :

  • M. Younes Ezzahri, Maître de conférences (HDR), Institut Pprime, université de Poitiers
  • M. Jean-François Guillemoles, directeur de recherche CNRS, IPVF UMR 9006
  • M. Benoit Rousseau, directeur de recherche CNRS, LTEN UMR 6607, université de Nantes

Jury                                          :

  • Mme Stéphanie Giroux-Julien, Maître de conférences (HDR), UCBL M. Frédéric Kuznik, Professeur, CETHIL, INSA de Lyon
  • M. Mustapha Lemiti, Professeur, INL, INSA de Lyon
  • M. Yannick Veschetti, CEA-INES

Ce mémoire présente une synthèse de mes activités de recherche et d’encadrement dans le cadre de ma fonction de chargé de recherche CNRS. Ces travaux ont été réalisés d’abord au sein du Centre d’Énergétique et de Thermique de Lyon (CETHIL, UMR 5008) durant la période 2008-2017. À partir de janvier 2018, j’ai poursuivi mes recherches à l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL, UMR 5270).
Depuis plus de 30 ans, l’industrie photovoltaïque (PV) a progressé jusqu’à devenir un acteur majeur de la transition énergétique. Parmi les différentes filières de matériaux semi- conducteurs, le silicium est la figure de proue de l’industrie PV avec plus de 95 % de part de marché. Deux facteurs concomitants ont permis cette croissance : 1) la diminution du prix du silicium insufflé d’abord par la croissance de l’industrie européenne puis par le marché chinois, 2) augmentation des rendements des cellules ponctuées par des phases de ruptures technologiques. À l’heure actuelle, le rendement des cellules PV sous conditions de tests standardisés (température de consigne égale à 25°C, irradiance sur la cellule de 1000 W/m2) est de 26.7%. Néanmoins, la production électrique des panneaux solaires se heurte à la réalité des conditions climatiques, notamment, une température de fonctionnement proche de 60°C.
Le résultat est une baisse du rendement de conversion de 0.5% en relatif par rapport à sa valeur standard et ceci pour chaque degré d’élévation de la température des cellules. Paradoxalement, peu d’études consacrent leur analyse à ce problème. C’est dans ce contexte que se situent mes travaux de recherches. L’objectif général est de contribuer à lever les différents verrous scientifiques limitant l’augmentation du rendement des composants photovoltaïques sous conditions réelles de fonctionnement.
Pour ce faire, j’ai identifié plusieurs problèmes scientifiques :

  • à l'échelle de la cellule : étudier les mécanismes de couplage entre les phénomènes de transferts thermiques (conductif, radiatif et convectif) et les processus de génération et le transport des charges,
  • à l'échelle du module : analyser l'impact de l'encapsulation et des conditions réelles de fonctionnement (spectre du rayonnement incident, vitesse du vent, etc.) sur les performances électriques des modules
  • à l'échelle d'une centrale solaire (en champ ou intégré au bâti): faire une évaluation des ambiances externes (microclimat), obtenues à partir de données expérimentales (locales ou satellitaires) et de modèles numériques pour les intégrer comme conditions aux limites extérieures aux composants.

Pour réaliser toutes ces études, en particulier les points 1 et 2, il convient de se doter d'outils de simulation et de caractérisation avec comme point de mire, un couplage entre les phénomènes thermiques et les phénomènes électriques. La description des travaux est divisée en quatre chapitres. Les deux premiers se rapportent à l'échelle de la cellule et sur la mise au point d'un modèle physique et numérique couplant génération et transport des charges (électrons et trous), avec les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement (dans l’ultraviolet lointain, le visible et l’infrarouge) en milieux semi- transparents. Le couplage des phénomènes thermiques et électriques s’effectue au travers des conditions aux limites de la cellule et de l’expression de la conduction de la chaleur au sein de la cellule en présence d’une source de chaleur interne. La conception d'un banc de caractérisations thermique et électrique est nécessaire pour modifier et contrôler les conditions aux limites thermiques. Le troisième chapitre est consacré à l'échelle module où il est question de la quantification de la production des panneaux photovoltaïques sous contraintes environnementales. Le dernier chapitre présente une étude par analyse de données sur le comportement de centrales photovoltaïques sous conditions climatiques rudes. Enfin, je finis par énoncer quelques perspectives à court et moyen termes de mes activités scientifiques.
L’ensemble des études développées dans le cadre de ce travail a été réalisé au travers de ma participation à l’encadrement de trois thèses, deux ADR financées par la région Auvergne- Rhône-Alpes et une thèse CIFRE. Il a aussi bénéficié de plusieurs collaborations académiques nationale et internationale ainsi que des collaborations avec des acteurs industriels telles que Voltec Solar, Apollon Solar et EDF.