L'énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire grâce à des panneaux ou des centrales solaires photovoltaïques. La cellule photovoltaïque est le composant optoélectronique de base du système. Elle utilise l'effet photoélectrique pour convertir en électricité les ondes électromagnétiques (rayonnement) émises par le soleil. Le succès de la technologie des cellules photovoltaïques nécessite des progrès substantiels sur la réduction des coûts et l'amélioration de l'efficacité.
Une approche activement étudiée pour réaliser simultanément ces deux objectifs consiste à exploiter des schémas de piégeage de la lumière. Le piégeage de la lumière permet aux cellules solaires d'absorber la lumière du soleil à l'aide d'une couche active, qui est beaucoup plus mince que la longueur d'absorption intrinsèque du matériau. De plus, le piégeage de la lumière peut améliorer l'efficacité de la cellule, puisque des couches minces permettent une meilleure collecte des porteurs de charge photogénérés. Ce projet mené en collaboration avec des chercheurs de l'équipe Sunlit [https://sunlit-team.eu/] du C2N (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies) porte sur l'exploitation de principes de nanostructuration pour améliorer l'absorption de la lumière dans des cellules solaires ultrafines. On a pour cela développé une méthodologie numérique originale qui combine un solveur élément fini d'ordre élevé pour la simulation de l'interaction lumière/matière aux échelles nanométriques, et une stratégie d'optimisation globale par apprentissage statistique pour la conception inverse des caractéristiques géométriques de la nanostructuration de matériaux semiconducteurs. Ces outils numériques sont intégrés dans la suite logicielle DIOGENeS [https://diogenes.inria.fr/] dédiée à la nanophotonique computationnelle et développée par l’équipe-projet Atlantis [http://www-sop.inria.fr/atlantis/] d’Inria.
Equipe Atlantis, Inria Sophia Antipolis-Méditerranée
Cellule solaire à base de nanocones : exemple de maillage (gauche) et carte du module du champ électrique (droite). La caractérisation numérique de l’absorption de la lumière solaire dans le matériau semiconducteur est obtenue à l’aide d’un solveur des équations de Maxwell instationnaires tridimensionnelles basé sur une méthode Galerkin discontinue d’ordre élevé formulée sur un maillage tétraédrique. L’optimisation numérique des caractéristiques géométriques des nanocones s’appuie sur une méthode d’optimisation global par apprentissage statistique. Les calculs sont réalisés sur le calculateur Occigen. Une optimisation numérique type requiert 12 heurs sur 896 cœurs du système Occigen du CINES.
De gauche à droite, Alexis Gobé, ingénieur de recherche et développement dans l’équipe-projet Atlantis, Stéphane Lanteri, directeur de Recherche Inria et responsable de l’équipe-projet Atlantis et Stéphane Collin, directeur de Recherche CNRS, responsable de l’équipe Sunlit
Inria Sophia Antipolis-Méditerranée, 2004 Route des Lucioles, BP 93 06902 Sophia Antipolis Cedex Stephane.Lanteri@inria.fr
C2N – UMR CNRS 9001, Paris-Saclay, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau