Cellules photovoltaïques bio-inspirées
Transcript of Cellules photovoltaïques bio-inspirées
Anne-Laure Joudrier1, Sophie Cassaignon2, Serge
Berthier3, Jean-François Guillemoles1
1 IPVF – Institut Photovoltaïque d’Ile de France UMR 9006– 18 Bd Thomas Gobert –
91120 Palaiseau2 Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris UMR 7574 – Sorbonne
Université – 4 Place Jussieu – 75005 Paris3 Institut des NanoSciences de Paris UMR 7588 – Université de Paris – 2 Place Jussieu
– 75005 Paris
e-mail : [email protected]
Cellules photovoltaïques
bio-inspirées
16ème Colloque Ile de Science Paris-Saclay
« Innovation bio-inspirée » - 2021
TitreDate
Biomimétisme à l’IPVF
Biomimétisme à l’IPVF : s'inspirer des propriétés des organismes biologiques pour
améliorer les propriétés optiques et thermiques des cellules solaires, tout en gardant
une efficacité élevée.
Source : edf.fr
UMR IPVF 9006
Thématiques de recherche à l’IPVF : améliorer les performances et la compétitivité des
cellules photovoltaïques et développer de nouvelles technologies de rupture.
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Couleurs structurales et cristaux photoniques
On s’intéresse surtout aux couleurs dites « structurales », c’est-à-dire qui ne sont pas issues de
pigments mais qui résultent d’un arrangement périodique de structures micro- et/ou nano-
métriques.
On appelle cristal photonique une structure périodique transparente aux ondes
électromagnétiques sauf sur une certaine gamme de fréquences ou gap photonique.
Souris de mer
A-L Joudrier et al.,
Energy Procedia 60 (2014) 173 – 180
Opale
P. Vukusic et al., Nature 24, 852, (2003)
Ailes de papillon
Plumes d’oiseaux
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Cellules photovoltaïques colorées bio-inspirées du papillon Morpho
Bläsi et al., Proceeding 33rd EUPVSEC, (2017), Amsterdam,
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
1.09x1.12 m2
Photo: Izzy LeCours , License: CC BY 2.0
Main constituents of the Morpho effect:
Interference from a finite Bragg stack (distance between
lamellae d), diffraction from ridges of a given width a,
and disorder caused by height variation. The angle of
incidence is and the outgoing angle .
MorphoColor™ Concept
TitreDate
Fleurs : la pensée Viola xWittrockiana et la rose ‘el toro’
R. Schmager et al., ACS Photonics 2017, 4, 2687-2692 R. Hünig et al., Adv. Optical Mater. (2016)
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Le papillon Pieris : un concentrateur solaire
K. Shanks et al., Sci. Rep. 5, 12267; (2015).
Partie blanche de l’aile Partie noire de l’aile
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TitreDate 7
Algue unicellulaire
composée de 2 valves
large
medium
small
Un cristal photonique naturel avec une périodicité
multi-échelle
M. Gross , Current Biology
Vol 22 No 15, R581 (2012)
D. Losic et al., New J. Chem.,
2006, 30, 908–914
M. Sumper, Science 295,
2430 (2002)
S. Cassaignon et al., Materials Today,
Volume 1, Supplement, 2014, 209-215
DSSC with enhanced photonic capture resulting from
the incorporation of a reflective diatom-TiO2 layer.
C. Jeffryes et al., Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3930
Très peu de références concernant
les diatomées pour le PV
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
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ed.
Diatomées pour le PV
TitreDate
Effet de guide d’onde dû au réseau de pores
périodique et multi-échelle du frustule
Spot lumineux au centre du frustule
200 µm
Observations au microscope optique
µm
5 µm
5 µm
Frustules observés avec différentes
focalisations
Effet de lentille dû à la périodicité des
pores du frustule
Couplage avec la cellule solaire
10 µm
Propriétés optiques des diatomées
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A-L. Joudrier et al., NICE-conference, 2014
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TitreDate
Concentrateurs solaires luminescents
9
LSC
LSC = une cavité piégeant la lumière jusqu’à ce que, par jeu de
réflexions internes totales, les photons atteignent la cellule PV.
Luminescent Solar Concentrators (LSC)
LSC
PBS
PBS (Photonic Band Stop) : permet
de limiter les pertes en face avant
Optimisation de
l’absorption des photons
Modélisations
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F. Proise et al., EPJ Photovoltaics 9, 12 (2018)
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TitreDate
Couplage LSC/CP
10
Dépôt du PBS sur LSC: adhérence et mouillabilité à optimiser pour un
bon couplage.
Fabrication d’opales en silice
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A.-L. Joudrier et al., Energy Procedia 60 (2014) 173 – 180
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Conversion de fréquence : up- et down-conversion
11
Fractions du spectre solaire : utilisée par une cellule
solaire en silicium cristallin (en vert) et disponible pour
l’up- et la down-conversion (grisé)
Permet d’utiliser les photons non absorbés par la cellule
Down-conversion Up-conversion
Protéine mTurquoise
Cellule couverte d’une matrice polymère
dopée à la protéine mTurquoise
Couplage à optimiser pour améliorer
le rendement
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C. Crevant, PhD Thesis, Sorbonne Université, 2018
Protéine lyophilisée
Protéine diluée
dans l’eau
Eclairage ambiant Eclairement UV
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Echantillons de papillons
Thyridia confusa
Agraulis vanillae nigrior
Asterope leprieuri Morpho hercules hercules
Delias belisama
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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Observations par microscope optique et MEB
Delias belisama : zone de couleur blanche
Structure remplie de granules
de pigment (ptérinosomes)
Couleur blanche des ailes
Morpho hercules hercules : zone de couleur verte
1,4 µm
600 nm
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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Asterope Leprieuri
Zone de couleur verte
Zone de couleur noire
2,3 µm
3,3 µm
1,3 µm
0,6 µm
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27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020
TitreDate
Réflexion diffuse
0,56 0,58 0,60 0,62
0,0
0,2
0,4
0,6
sin i²
Linear Fit of Sheet1 E"sin i²"
sin
i²
lambda min ²
Equation y = a + b*x
Plot sin i²
Weight No Weighting
Intercept 5,03676 ± 0,06292
Slope -8,06789 ± 0,10646
Residual Sum of Squares 1,64525E-5
Pearson's r -0,99991
R-Square (COD) 0,99983
Adj. R-Square 0,99965
Asterope Leprieuri : Longitudinal
300 400 500 600 700 800 900
0
20
40
Incidence normale
Incidence +15°
Incidence +30°
Incidence +45°
Incidence -15°
Incidence -30°
Incidence -45°
R (
u.a
)
Wavelength [nm]
Asterope Leprieuri : Longitudinal
e 350 nm
ne 2,24
k = 2
300 400 500 600 700 800 900
0
10
20
30
40
50
Incidence normale
Incidence +15°
Incidence +30°
Incidence +45°
Incidence -15°
Incidence -30°
Incidence -45°
R (
u.a
)
Wavelength [nm]
Asterope Leprieuri : Transversal
0,165 0,170 0,175 0,180 0,185
0,0
0,2
0,4
0,6
sin i²
Linear Fit of Transversal E"sin i²"
sin
i²
lambda min ²
Equation y = a + b*x
Plot sin i²
Weight No Weighting
Intercept 5,84819 ± 0,9377
Slope -31,9555 ± 5,37136
Residual Sum of Squares 0,0026
Pearson's r -0,98617
R-Square (COD) 0,97252
Adj. R-Square 0,94504
Asterope Leprieuri : Transversal
e 176 nm
ne 2,42
k = 2
Longitudinal Transversal
Les stries sontparallèles au plan
d’incidence
Sample
Les stries sontperpendiculaires au
plan d’incidence
A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020
Th
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rod
uce
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od
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pa
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r d
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TitreDate
Spectroscopie angulaire T
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ed. Echantillon
Détecteur
(fibre optique) Spectromètre
Lumière
incidente
A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020
Dispositif expérimental
On obtient des spectres de réflexion à
partir desquels on peut tracer le
diagramme de chromaticité CIE en
fonction de l’angle d’incidence.
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Propriétés thermiques
Température stabilisée après environ 1 min, les nervures sont plus
chaudes que le reste de l’aile
Pics d’absorption vers 2 µm et 10 µm dans l’IR
Fig. 3 : (a) Asterope Leprieuri : les nervures
ont la température la plus chaude (ici 25,92°C)
(b) Morpho hercules hercules : de même, les nervures sont plus chaudes que le reste des
ailes (ici 24,37°C)
8 10 12 14
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Pabs
(W.m
-3)
Wavelengths (µm)
idéale
réelle
comparaison Pabs structure réelle et idéale entre 8 et 15 µm
tests 33 et 34
de 8 à 15 µm
A.-L. Joudrier et al., NICE-conference, oct. 2020
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reserv
ed.
Observations avec une caméra
infrarouge Simulation des pics d’absorption
TitreDate
Conclusions et perspectives
La nature nous offre les plus beaux exemples de cristaux photoniques : ailes de
papillons, insectes, plumes oiseaux, fleurs, diatomées …
Les propriétés optiques de tels matériaux biologiques sont intéressantes pour les
cellules solaires : concentration, couleurs, thermique …
Quelques panneaux photovoltaïques colorés inspirés notamment du papillon
Morpho déjà existants.
Beaucoup de perspectives pour les cellules solaires et l’intégration au bâti…
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
TitreDate
Remerciements
Ce projet a obtenu le soutien financier du CNRS à travers les
programmes interdisciplinaires de la MITI.
Imagerie MEB :
S. Cassaignon
Réflexion diffuse :
S. Berthier
Merci de votre attention !
Stagiaires :
R. Grapin
R. de Maleprade
A. Chervet
X. F. Zheng
27/05/2021 Anne-Laure Joudrier 16ème Colloque Ile de Science - Paris Saclay
PhD :
F. Proise
C. Crevant