PRINCIPE DES CASCADESLUMINEUSESLe principe des cascades lumi-neuses (CL) est de permettre, pardopage d’une matrice par dessubstances optiquement actives(SOA) organique ou minérale, ensolution ou en dispersion, detransférer tout ou partie de l’éner-gie incidente, dans les bandes delongueur d’onde de plus grandessensibilités du capteur électroma-gnétique, les cellules photovol-taïques par exemple.Ce type de transfert d’énergie estbasé sur le principe de l’absorp-tion à λ1 de l’énergie incidentedonnant naissance à une réémis-sion à λ2, puis λn?, cette énergieλn? s’additionnant à l’énergieincidente naturelle dans la bandede fréquence de plus grande sen-

sibilité de la photopile.Ces transferts d’énergie où λ1< λnrépondent à la loi de Stokes.Il est également possible de réali-ser des systèmes de type anti-Stoc-kes où plusieurs photons sontabsorbés avant réémission d’unphoton d’énergie plus grande (casλ1> λn).L’idée d’adapter spectralement lalumière avant qu’elle n’atteigneles cellules photovoltaïques a étébrevetée au début des années1970 [1]. Nous avons rapidementétendu cette idée à la concentra-tion de la lumière et à des systè-mes multimoléculaires de diver-ses géométries [2]. Des approches de même inspira-tion ont notamment été dévelop-pées ensuite par le professeur.Adolf Goetzberger et al, fonda-

teur du premier institut solaireeuropéen, promu inventeur del’année 2009.

PREMIÈRE CONSÉQUENCEDans l’application photovol-taïque, le principe des cascadeslumineuses mis en œuvre opti-mise l’interaction rayonnement/matière en mobilisant dans laplage de longueur d’onde de plusgrande sensibilité des cellules so-laires au silicium par exemple, lemaximum d’énergie électroma-gnétique par décalage de fré-quence du spectre solaire incident.À 365 et 440 nm les photopilesont un pouvoir de conversion deseulement 25 et 50 % de leurpotentiel de conversion maxi-mum. Les photons incidentsdans les bandes solaires de plus

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Une tendance forte du développement photovoltaïqueest l’intégration dans les bâtiments (BIPV: building-integrated photovoltaïcs). Divers éléments architectu-raux deviennent bi ou polyfonctionnels (support,lumière, isolations phonique et thermique, productiond’électricité,…). Dans ce contexte le verre peut jouerun rôle essentiel comme matériau multifonctions“intelligent”. Dans l’élaboration de tels verres, un premier enjeu évident est de lais-ser passer les longueurs d’onde qui pourront être converties efficacement par lesphotopiles [11]. Cet article présente de manière succincte plusieurs technologies développées etbrevetées par le LPRL (Laboratoire de Physique du Rayonnement et de la Lumière).Ces procédés associent un dopage particulier des verres organiques ou inorga-niques traités et des architectures nouvelles pour augmenter l’efficacité de laconversion photoélectrique. Ces techniques font ainsi passer le verre de maté-riaux technique d’encapsulation au rang de composant photovoltaïque majeur.

Philippe Gravisse

LPRL : Laboratoire de Physique du Rayonnement et de la Lumière

LPRL has developed proprietaryenabling technologies in the field ofphotovoltaics. Special materialcompositions and system configu-rations combine wavelength-shif-ting effects and waveguide effectsto optimize the quality and quantityof direct and diffuse sun light beforeit reaches solar cells. Sample appli-cations include photovoltaic dou-ble-glasses and photovoltaic solartowers. It is anticipated that thesenext-generation luminescent solarconcentrators in the form of glass-based, building-integrated photo-voltaics will play an important rolein accelerating the shift towardsrenewable electricity.

Système opto photovolataïque 2 et 3D Double vitrages photovoltaïques et tours solaires

TECHNIQUEPHOTOVOLTAÏQUE

grande énergie sont donc trans-formés pour une grande partied’entre eux en chaleur, échauf-fant ainsi les piles et diminuantproportionnellement le rende-ment. (Les pertes par thermalisa-tion des phonons sont de l’ordrede 1 % de rendement par diffé-rence de +15 °C au-delà de 10 °C).On voit donc tout l’intérêt quel’on peut tirer, dans un premiertemps, du transfert des photonsde plus haute fréquence λi (365 -440 nm) en λε (800 - 900 nm)selon la loi de Stokes (hνε ≤≤hνi).

MISE EN ŒUVRE DES CASCADES LUMINEUSESIl est apparu opportun de réaliserd’abord une matrice de type poly-méthyl métacrylate (matériaubien connu pour ses qualitésmécaniques et optiques en aéro-nautique et pour ses caractéris-tiques de stabilité physico-chi-miques dans l’industrie nucléaireoù elle est utilisée comme scin-tillateur) dopée par des moléculesoptiquement actives (MOA) detype cyclique aromatique parexemple, dont le nombre denoyaux φ? détermine les lon-gueurs d’onde d’absorption etd’émission.Les molécules optiquement acti-ves sont sélectionnées de tellesorte que les plages d’émissiondes unes correspondent aux pla-ges d’absorption des autres. Onréalise ainsi, de λλι en λλε unematrice à cascade lumineuse detype PV 1.5, homogène, dont l’é-mission correspond à la plage deλλabs de plus grande sensibilitédes photopiles (rouge et infra-rouge proche).Le rendement énergétique de cematériau dépend des caractéris-tiques intrinsèques de la matriceet des molécules optiquementactives de dopage, dont la règlede concentration doit être en rai-son inverse de leur poids molécu-laire, sauf à provoquer, sous exci-tation, des phénomènes deself-quenching (ou auto-extinc-tion) et à en altérer la soliditélumière. Ces différents paramèt-

res ont fait l’objet de recherchesapprofondies au LPRL.

LES EFFETS CONJUGUÉSUne fois réglé le problème despertes par thermalisation partransfert des photons UV et440nm vers le rouge et le procheinfrarouge, plusieurs effets seconjuguent simultanément: • décalage de fréquence: création

d’un plus grand nombre dephoto-électrons diffus utiles àla cellule, contribuant de plus àl’élimination du phénomènede hot-spot.

• matrice homogène: optimisa-tion des rendements de conver-sion (figure 2).

Dans un premier temps les CLphotovoltaïques ont été organi-sées en couches successives spé-cialisées λλ par λλ disposéesdevant la cellule. Cette premièrearchitecture faisant apparaître undéficit théorique de 50 % parstrate, nous avons opté pour desmatériaux à structure et mélangehomogène dont la justificationthéorique est apportée au chapi-tre suivant.Nous avons en effet constatéqu’utiliser une matrice monocou-che à mélange homogène de plu-sieurs MOA complémentairesétait plus performant et beau-coup plus simple que la tech-nique des couches stratifiées spé-

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Figure 1 : principe de fonctionnement d’une cascade lumineuse photovoltaïque.Les pics d’émission énergétique maximum du soleil à AM1 ou AM0 se situent à365 et 450 nm (dans l’UV et le bleu), alors que le pic de sensibilité maximum desphotopiles Si (N+P) par exemple, se situe vers 900 nm.

Figure 2 : interaction des MOA (molécules optiquement actives) dans une cascade lumineuse.Les spectres d’émission des unes correspondent aux spectres d’absorption des autres pourobtenir un décalage de fréquence dans la bande de longueur d’onde déterminée.

cialisées. Des modélisations ther-modynamiques ou de type raytracing, permettent d’envisagerune approche quantitative duphénomène [3].

ADAPTATION DU SPECTRE SOLAIRE À LA RÉPONSE SPECTRALE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES,SILICIUM MONO OU POLYCRISTALLINIl a été démontré, l’intérêt de mo-biliser au niveau de la plage desensibilité maximum de la photo-pile le maximum d’énergie inci-dente pour obtenir la plus grandequantité possible de courantphotoélectrique. C’est une desfonctions des matériaux à cascadelumineuse, avec une meilleureprise en compte des rayonne-ments incidents diffus et réémisen 4π stéradians vers la cellule.On voit ici que l'énergie solaireutilisée est définie par la zone derecouvrement des spectres d'é-mission de la lumière solaire etd'absorption de la photopile. Compte tenu de la spécificité dela pile, (absorption de photonsd'énergie correspondant à deslongueurs d'onde comprises entre700 et 800 nm), et du fait que l'é-nergie fournie par la photopile estfonction de l'intensité du faisceau

lumineux incident et du nombrede photons utiles, on augmentele rendement de la pile en déca-lant la fréquence des photons dela partie du spectre solaire UV�visible vers les longueurs d’ondessituées au-dessus de 700 nm. Ce premier procédé développépar le LPRL permet ainsi la trans-formation de photons hautes fré-quences (250 – 600 nm) en pho-tons basses fréquences (600 - 700nm), par exemple en utilisant desmatériaux à cascades lumineuses,qui ont déjà fait l’objet d’applica-tions industrielles en France etaux Etats-unis par la productionde générateurs PV en verre orga-nique type polymethyl-métacry-late dopés (gain de productionphotoélectrique obtenu: 1,25).

PARCOURS DES PHOTONS DANS UN MATÉRIAU À CL ET EFFETS CONJUGUÉSLes travaux conduits par le LPRLont permis de mettre en évidencele décalage de fréquences produitpar les matériaux à cascades lumi-neuses et le fait qu’il s’accompagned’autres phénomènes optoélectro-niques qui, dans certaines condi-tions, participent de l’améliorationdes rendements photoélectriques.

Par exemple:• La réémission des photons λ1,

λ2, λn en 4π stéradian et soncorollaire le guide d’onde quipermettent une meilleure priseen compte de la lumière diffuseet de l’albedo dans toute la lar-geur du spectre occupée par lescascades lumineuses,

• La récupération de photonstombés hors la cible,

• La concentration d’un fluxlumineux secondaire et mono-chromatique sur les tranches dumatériau, ou en un point sin-gulier, flux lumineux résultantdont l’intensité est supérieureau flux orthogonal initial inci-dent.

• La prise en compte de l’énergiediffuse et de faible incidenceaffranchît les concentrateursplans à cascades lumineuses dela servitude de tout système detracking.

ENCAPSULATION OPTIQUEMENTACTIVE ET INTERACTIONPHOTONS/MOALes matériaux cascades lumineu-ses sont constitués d’une matricecaractérisée par une transmissionélevée dans le visible et l’IR et deMOA (molécules optiquement

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Figure 3 : exemplesd’applications réalisésavec le procédé CL Opto PV 2D

c) Radio Balises MilitairesSignalisation discrète

de terrains Aéronautique

a) Eclairage ville de Venice, FlorideMontage et raccordement électrique des panneaux photovoltaïques à CL

b) Signalétique publicitaire à détection de passageHighway, Etats-Unis, Floride

actives) telles que les spectres d’é-mission des unes correspondentaux spectres d’absorption des aut-res, successivement, permettantainsi de couvrir la totalité duspectre solaire dans la zone choi-sie, par exemple, dans la plage250 - 800 nm, recouvrement enfréquences ou en longueurs d’on-des. Une radiation lumineuse delongueur d’onde déterminée λpest absorbée par la substance dontle spectre d’absorption comprendcette valeur de λ.Les photons hνn ou hc/λn quiont permis d’exciter les moléculesde cette substance (phénomèned’absorption) sont ainsi éliminésdu faisceau incident. L’état insta-ble conféré aux molécules est detrès courte durée (nanoseconde).Le retour à l’état fondamentals’effectue en partie par une émis-sion radiative.Les photons ainsi générés cor-respondent au spectre d’absorp-tion d’autres MOA qui interagis-sent dans des longueurs d’ondesupérieures. Une MOA/CL peutainsi absorber soit l’émission dela MOA qui la précède dans la sé-quence cascades lumineuses,

(énergie transformée), soit la par-tie de l’émission du spectre solairequi lui correspond (énergie nontransformée). C’est cet ensembled’absorption / réémission succes-sive qui constitue le phénomènede cascade lumineuse.

DES GAINS NOTABLESPHOTOÉLECTRIQUESUne des premières applicationsdu concept des cascades lumi-neuses a été l’adaptation du spec-tre solaire à la réponse spectrale

des photopiles. Les CL peuventêtre intégrées dans la masse desmatériaux d’encapsulation orga-niques ou sous forme filmogènepouvant être appliqués sur desmatériaux verriers.

POLYMETHYLEMETACRYLATE (PMMA)Dans ce type de matrice support,l’introduction des MOA a été réa-lisée avec succès tant du point devue rendement que du point devue de la solidité lumière. Avec cematériau utilisé pour la réalisa-

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Figure 4 : angle solide,guide d’onde et lumièrediffuse, récupération desphotons tombant hors dela cible et prise en comptedu rayonnement diffus.Avec ce système on peutréduire le coefficient defoisonnement de S1(surface de cellulles) parrapport à S2 (surface decollection de photons).

Figure 5 :interactiondes photonsincidents surles MOA ettransfert delongueurd’onde desphotonsréémis

tion de modules photovoltaïquesd’une durée de vie supérieure àdix ans, nous disposons d’un re-cul suffisant. Les modules photo-voltaïques réalisés ont répondu àla norme NFC 57100 et aux spéci-fications des autorités américai-nes DOE/JPL.Ce type de matériau a permis ungain de production énergétique

d’un facteur 1,2 à 1,4 en fonctiondes conditions d’éclairement,pour un coefficient de foisonne-ment de 0,75. Les améliorationssont particulièrement sensiblesdans le cas d’un éclairement dif-fus (e.g. couverture nuageuse), cequi permet d’améliorer l’efficacitédes panneaux solaires dans lesrégions d’ensoleillement limité.

APPLICATION DE LA TECHNOLOGIEDES CL AUX PRODUITS VERRIERSDes développements internes auLPRL et collaboratifs ont permisd’adapter les cascades lumineusesaux produits verriers. La figure 7présente quelques structures étu-diées dans lesquelles des verres etdes matrices optiquement activessont associés.

EXTENSION DE L’UTILISATION DES CLÉtude de vernis verriers pour ap-plications photovoltaïques.Une autre solution, adaptable auxverres existants, consiste à utiliserdes matrices dopées à cascades

lumineuses applicables par spraysou laquées.Le LPRL mène actuellement desétudes d’intégration de matricesCL compatibles avec certainesfonctions optiques, particulièresdes verres dichroïques. L’utilisa-tion de tels systèmes “opto” asso-ciés au photovoltaïque autoriseune plus grande production d’é-nergie photoélectrique par unitéde surface active de cellule.

CONCENTRATEUR ÉLECTROMAGNÉTIQUE À CHANGEMENT DE FRÉQUENCEPrincipe de fonctionnementUn concentrateur électromagné-tique à changement de fréquenceest basé sur l’utilisation conjointed’une CL et d’un traitement di-chroïque. Le principe de fonc-tionnement est le suivant: Supposons que nous ayons unecascade lumineuse avec les carac-téristiques d’absorption/émissiondonnée par la figure 9. La structure optique est consti-tuée d’un verre orienté du côté de

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Figure 6 : vue encoupe de la

structure d’unmodule réalisé

selon notreprocédé.

Figure 7

Figure 8 :réponse

spectrale d’unverre dichroïquedestiné à une CL

photovoltaïque

Figure 9 : spectred’absorption/

émission d’une CL

la source d’excitation, placé au-dessus d’une lame dopée CL, laface arrière étant un réflecteurpur. Le schéma 11 décris la structuredu matériau et le spectre de trans-mission et de réflexion du filtredichroïque.Le rayonnement d’excitation tra-verse la lame de verre traitée di-chroïque pour être absorbé par laCL, pour être réémis entre λy1 etλy2. Ce rayonnement de réémis-sion se fait en 4π stéradians, maisdu fait de la présence simultanéedu réflecteur en face arrière et ducoefficient de réflexion élevé dufiltre dichroïque entre λy1 et λy2, lesignal de réémission ne peut sor-tir de la structure que par la sortieoptique.

Principe et résultats de mesureUne fibre optique connectée à unphotodétecteur de type SFH 350est reliée aux matériaux verreCL/dichroïques. Le montage etles caractéristiques de mesuressont donnés par ailleurs.Les résultats de mesures obtenusavec les différentes structuresdécrites précédemment, sontrepris dans la figure 14. On voitque sous une excitation spéci-fique donnée aux matériaux àcascades lumineuses traitées di-chroïques, les rapports de gainentre les matériaux neutres etdopés varient d’un facteur 5 à 11.Ces résultats expérimentaux ontguidé nos travaux de recherchevers de nouvelles architecturesphotovoltaïques à rendement éle-vé sans surcoût notable, du typegénérateur opto photovoltaïque3D que nous vous présentonsdans les chapitres suivants.Les “cleantechs” et tout particu-lièrement le solaire photovol-taïque, sont aujourd’hui en pleinessor. Dans ce contexte, d’autresapproches optiques et tridimen-sionnelles du photovoltaïque per-mettant une concentration sansrefroidissement ni suivi du soleilsont également défendues par lescompagnies Covalent Solar (MIT,

Boston USA), Prism Solar (High-land, NY, USA) qui utilisent desprismes et hologrammes, et CoolEarth Solar (Australie) qui utilisedes sphéroïdes gonflés.

DOUBLE VITRAGE “GÉNÉRATEURPHOTOVOLTAÏQUE” TYPE OPTO PV 3 DLes planches des figures 15 et 16représentent diverses structuresde générateurs photovoltaïques

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Figure 10

Figure 11b : Structure du concentrateur à changement de fréquence

Figure 11a : Spectre de R% et T% du filtre dichroïque

intégrés dans des doubles vitragesde conception classique ou dansdes éléments de construction ver-re/aluminium de façade pour lebâtiment.

TOURS PHOTOVOLTAÏQUESLes figures 17, 18 et 19 donnentdes exemples de réalisation desystèmes photovoltaïques tridi-mensionnels Opto PV 3D, met-tant en œuvre des matériaux ver-riers à traitements dichroïquesinfrarouge, des matrices à casca-des lumineuses, des cellules desilicium en dichotomisant les dif-férentes fonctions dans un mêmegénérateur:• Décalage de la fréquence de la

lumière en λn par CL et guided’onde

• Piégeage des photons λn par unréflecteur dichroïque

• Réflexion UV/visible par paroinord ou support opaque

• Conversion optimale du fluxphotonique ad hoc en courantcontinu par les cellules photo-voltaïques au silicium.

Dans cette configuration l’archi-tecture Opto PV 3D décrit unestructure volumique où les cellu-les sont placées dans une en-ceinte parallélépipédique dont lesparois en verre sont recouvertesd’un spray cascade lumineuse etd’un traitement dichroïque avecfiltre passe bas en longueur d’on-de correspondant à la réponsespectrale des cellule silicium. Il est possible d’empiler plusieursblocs les uns sur les autres pourconstituer un générateur pluspuissant. Il est aussi possible de placer plu-sieurs groupes de cellules PVdans le même bloc optique pourconstituer un générateur PV f2(figure 19).

Générateur PV OPTO PV 3D et différentes architecturesvolumiquesLa figure 20 présente quelquesprincipes de modules solaires fai-sant appel à d’autres architecturesvolumiques, les modules sontintroduits dans un volume dont

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Démonstrateur de laboratoire, un concentrateur électromagnétique à changementde fréquence avec une cascade lumineuse à base d’oxyde d’yttrium dopé europium.Les courbes de la figure ci-dessous nous donnent les spectres de transmission et deréflexion du filtre dichroïque LPRL009.

Figure 13 : Photographie sous éclairement 365nm des différents échantillonsCL/dichroïques ayant servis aux mesures (ref. lab 1298 LPRL)

Figure 14

les surfaces sont à cascadeslumineuses avec un traitementextérieur constituant un filtredichroïque ou passe bas (enlongueur d’onde) dont la fré-quence de coupure dépend dutype de cellules PV et de la cas-cade lumineuse utilisée. Onpeut considérer que cette fré-quence correspond à des lon-gueurs d’onde comprises entre650 nm et 900 nm selon les cas-cades lumineuses et la techno-logie de cellule. Dans ce type d’architecture degénérateurs photovoltaïquesOpto PV 3D, il est possible dedichotomiser les différentesfonctions cascade lumineuse,photovoltaïque, réflectrices decelle de miroir dichroïque encapsulant les cellules solairesdirectement dans une matriceCL et en traitant optiquementles parois des verres extérieurs.(figure 21). Ce type d’architecture volu-mique autorise un plus granddegré de liberté dans la gestiondes différentes fonctions deproduction d’énergie photo-voltaïque. Ainsi on peut privi-légier la densité d’énergie four-nie par unité de volume ou parunité de surface suivant l’utili-sation des cellules. Dans lafigure 22, on représente unassemblage en “tour solaire”constituée de plusieurs modu-les volumiques photovoltaïquepermettant d’augmenter lapuissance électrique installéetout en gardant une mêmeemprise minimale au sol.

CONCLUSIONCes développements Optophotovoltaïque 2&3 D repré-sentent les générateurs photo-voltaïques du futur où le verrejoue un rôle technique et éco-nomique équivalent à celui desmatériaux semi-conducteurs(cellules photovoltaïques),dont l’expression em-blématique réside dans lanotion de “tour solaire”, dèsmaintenant réalisable. ■

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Figure 17

Figure 16

Figure 15

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Figure 20

Figure 19

Figure 18

Figure 21 : La structure en V simple est présentée pour plus de lisibilité mais les autres structures peuvent aussi adopter la dissociation de la fonction CL et la fonction traitement optique

RÉFÉRENCES[1] P. Gravisse, M. Prevot, “Photovoltaic device with luminescent layers

of differing composition”, US Patent 3,912,931 filed June 14th 1974[2] P. Gravisse, “Solar radiation concentrators” US Patent 4,324,946 filed

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[8] P. Gravisse, M. Schiffmann, LPRL, “Photovoltaïc generators with lightcascade and varying electromagnetic flux” United States Patent, US 6,570,083 B3 May 27, 2003

[9] LPRL and al., “Cascades lumineuses et nanoparticules optiquement actives NOA” Brevet EU, N°INPI 09/00637 du 12/02/2009

[10] LPRL and al., “Générateurs OPTO PV 3D” Brevet EU, N° INPI 09/00635du 12/02/2009

[11] A. Garnier, “le verre : un matériau de choix pour la technologie photovoltaïque”, Verre, 6(2008), p. 22-29

Figure 22 Figure 23