L’Institut de Nanotechnologie de Lyon (INL) a pour objectif de développer une recherche technologique pluridisciplinaire dans le domaine des micro et nanotechnologies et de leurs applications. Les recherches menées s’étendent des matériaux aux systèmes, en s’appuyant sur la plateforme technologique lyonnaise NanoLyon.

La thèse proposée sera réalisée en collaboration avec le CEA-INES, dans le cadre du projet IOTA (Innovative Tandem Architectures) du PEPR TASE, financé par l’Agence Nationale de la Recherche.

La personne recrutée travaillera au sein de l’équipe i-Lum, qui a développé une expertise reconnue internationalement dans le contrôle à l’échelle nanométrique de l’interaction lumière-matière avec les cristaux photoniques et les métasurfaces, et son application dans des domaines tels que les cellules solaires et la récupération de l’énergie solaire, avec des activités allant de des simulations optoélectriques à la nanofabrication et à la caractérisation. Plus précisément, l’équipe a été pionnière dans la simulation multiphysique (optique, thermique et électrique) des cellules solaires. Toutes les ressources communes de l’INL seront mises à disposition pour la réussite du projet, notamment les outils de caractérisation par microscopie, spectroscopie optoélectronique et spectroscopie vibrationnelle.

Dans le paysage actuel de l’énergie photovoltaïque, les cellules solaires à base de silicium dominent le marché, représentant 96 % de l’industrie avec un rendement de conversion d’énergie atteignant environ 22 % pour les modules commerciaux et jusqu’à 26,7 % pour les cellules de recherche, ce qui se rapproche du niveau théorique de Shockley-Queisser ( SQ) limite de 29,4 %. Ces progrès sont le résultat d’avancées significatives dans l’architecture des cellules solaires, axées sur l’amélioration de l’absorption de la lumière et la collecte optimisée des charges photogénérées. Pour maximiser l’absorption des photons du spectre solaire, les cellules solaires tandem présentent une approche viable pour dépasser la limite SQ. Par exemple, les chercheurs de KAUST ont atteint une efficacité certifiée de 33,9 % en 2024 avec des cellules tandem pérovskite/Si, démontrant le potentiel considérable de ces technologies pour dépasser la limite théorique du SQ.
Il est important de noter que les processus d’optimisation sont menés dans des conditions de test standard (STC) avec une température de cellule fixe de 25°C. Cependant, ces conditions de test standard, bien qu’utiles pour comparer différents produits et technologies, ne reflètent pas les conditions opérationnelles réelles dans lesquelles des facteurs tels que la température des cellules peuvent influencer considérablement les performances et la durabilité des modules. En effet, la température de fonctionnement des cellules peut dépasser 70°C, entraînant des coefficients de température (TC) compris entre 0,3 et 0,45%/°C. Par conséquent, la production annuelle totale d’énergie des modules photovoltaïques est nettement inférieure aux prévisions. Outre l’efficacité, la fiabilité et la durabilité des modules sont également compromises par les températures élevées, entraînant une augmentation du coût actualisé de l’électricité (LCOE). Bien que les effets thermiques soient bien documentés pour les technologies du silicium cristallin, l’impact de la température sur les nouvelles technologies à base de pérovskite reste sous-exploré. En conclusion, l’amélioration et l’acquisition de connaissances sur les phénomènes thermiques et électriques régissant le comportement des cellules et modules PV sont essentielles pour établir un ensemble de conditions facilitant de manière optimale ces phénomènes.
L’objectif général de ce projet de thèse est de contribuer de manière significative à résoudre les défis scientifiques qui entravent actuellement l’efficacité de conversion électrique des cellules photovoltaïques tandem dans des conditions opérationnelles réelles. Ce projet se concentrera sur l’utilisation de simulations multiphysiques couplées (optiques, thermiques et électriques) pour les architectures de cellules tandem 2T/3T afin d’optimiser leur conception (matériaux et géométrie). Ces simulations s’appuient sur des outils et méthodologies développés et disponibles à l’INL (sous PYTHON/COMSOL). L’approche de simulation sera complétée par des mesures expérimentales des performances des cellules tandem, permettant une corrélation précise entre les prédictions théoriques et les comportements réels.