Optimisation of semi-transparent hydrogenated amorphous silicon solar cells for photobioreactor application
Optimisation de cellules solaires en silicium amorphe hydrogéné pour intégration sur photobioréacteurs
Résumé
One of the main limitations of microalgae culture is the low efficiency of sunlight conversion. If the culture takes place in a closed medium, a photobioreactor, another limitation is the energy consumption. Semi-transparent solar cells technologies only absorb a part of the incident light to produce electricity while being transparent in a specific wavelength range. This will allow the photosynthesis needed for microalgae growth. To improve the overall photoconversion efficiency and provide energy support, a photobioreactor (PBR) and photovoltaic technology (PV) coupled system can be developed. Thin film solar cells based on hydrogenated amorphous silicon technology could be directly placed on the PBR surface. The first step to reach this objective is to enhance the solar cell transparency by 3% by means of a design of experiment which redefine the thicknesses of thin layers. A homemade growing test of G. sulphuraria shows that PV optical filtering does not influence the growth rate. The PV efficiency of these cells is then improved by means of optical treatments of substrates surfaces obtained by reactive ion etching. An antireflection texture with light scattering effect gives better results and the efficiency increases to 5.2 %. In a second step, the technology is adapted to a flexible substrate. The deposition step of amorphous silicon was optimized in order to obtain solar cells on PEN with a PV efficiency of 2.1%. The final part of this study focuses on the analysis of the results obtained in this thesis from concrete cases of PBR integrated into buildings in order to calculate the performance of a PV/PBR/Building system. The technologies developed in this work would make it possible to fully meet the energy demand of biofacades without damaging the growth of microalgae.
L'une des principales limites à la culture des microalgues est leur faible efficacité de conversion de la lumière du soleil. Si la culture prend place au sein d’un photobioréacteur, une autre limitation est alors sa consommation énergétique. Certaines technologies de cellules solaires n’absorbent qu’une partie de la lumière incidente pour produire de l’électricité, leur transparence dans une certaine gamme de longueurs d’onde pourrait permettre la photosynthèse. Pour améliorer le rendement global de photoconversion et apporter un support énergétique, un système couplé photobioréacteur (PBR)/photovoltaïque (PV) peut être développé. Cette thèse propose d’appliquer une cellule solaire en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) directement sur la surface illuminée des PBR. Pour être compatible avec la croissance des microalgues, la transparence des cellules a-Si:H est, dans un premier temps, améliorée de 3% grâce à un plan d’expériences qui permet d’optimiser les épaisseurs des couches minces. Le montage d’un test de croissance avec une algue G. sulphuraria permet de confirmer que la filtration de la lumière incidente par la cellule PV n’influence pas la croissance des algues. Le rendement PV de ces cellules est ensuite amélioré grâce à des traitements optiques du substrat obtenu par gravure sèche réactive. Une texturation à la fois anti-réfléchissante et légèrement diffusante est développée et permet d’augmenter le rendement jusqu’à 5,2%. Dans un second temps, la technologie est adaptée sur un substrat souple. Un travail d’optimisation du dépôt de a-Si:H a été mené pour obtenir des cellules solaires sur PEN dont le rendement PV est de 2,1%. Une dernière partie de l’étude porte sur l’analyse des résultats obtenus dans cette thèse à partir de cas concrets de PBR intégrés aux bâtiments afin de calculer les performances d’un système PV/PBR/Bâtiment. Les technologies développées dans cette thèse permettraient de répondre en intégralité à la demande énergétique des biofaçades sans dégrader le rendement global des photobioréacteurs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)