Développement d'une méthode d'essais dynamiques semi-virtuelle pour caractériser les systèmes de climatisation/chauffage solaire

La forte augmentation actuelle des besoins de climatisation en période estivale confère au marché du rafraîchissement solaire un potentiel de développement très important. Avec l'avènement, depuis quelques années, des machines à absorption de petite puissance d'une part et de la volonté de disposer de solution packagées d'autre part, on peut penser que le marché va se développer fortement au cours des prochaines années, bénéficiant de l'engouement du public pour l'énergie solaire. La majorité des systèmes de froid solaire utilisent des machines frigorifiques à sorption et de nombreux fabricants ou revendeur proposent des systèmes packagés assurant climatisation, chauffage et production d'ECS. Le retour d'expérience en termes de performances annuelles sur ces systèmes n'est pas toujours accessible et la prévision de leurs performances n'est pas chose aisée.

L'objectif de ce stage, faisant suite à un précédent stage sur le même sujet, est de finaliser le développement d'une méthode d'essais en régimes dynamiques et en environnement semi-virtuel (couplage simulation et essais expérimentaux) à même de prévoir les performances de ces systèmes sous des conditions climatiques définies et en un nombre de jour réduit. Pour mener à bien ce projet, il s'agira de :
- Adapter un modèle numérique de système de climatisation/chauffage solaire sous TRNSYS intégrant les caractéristiques d'une offre packagée définie d'un fabricant, en fonction des premiers résultats obtenus lors du stage précédent ;
- Définir une méthode d'essais d'une durée réduite à même de permettre l'extrapolation des performances expérimentales vers les performances annuelles modélisées ;
- Réaliser les essais sur le banc d'essais du laboratoire et analyser la pertinence de la méthode mise en place. Pour mener à bien les

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Optimisation des métallisations de cellules solaires à hétérojonctions et contacts en face arrière

Ce stage se déroulera sur le site de l'INES (Institut National de l'Énergie Solaire) au sein du Laboratoire des Composants Photovoltaîques (LCP). Ce laboratoire possède une salle blanche avec tous les équipements nécessaires à la fabrication et la caractérisation de cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Un des axes de recherche de ce laboratoire concerne le développement de cellules photovoltaïques à haut rendement (>20%). Parmi les différentes technologies permettant d'atteindre les hauts rendements, les cellules à hétérojonctions et contacts en face arrière constituent une option prometteuse. Ces structures avancées nécessitent une attention particulière au niveau du design des contacts en face arrière. Les matériaux choisis ainsi que la géométrie de ces contacts jouent un grand rôle au niveau des pertes résistives et optiques dans le dispositif. Le stage se déroulera au sein de l'équipe travaillant sur les cellules à hétérojonction silicium amorphe/silicium cristallin et permettra de découvrir un large éventail de technologies de dépôt et de caractérisation utilisées dans la fabrication des cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Le stagiaire devra dans un premier temps se former aux différents modes de dépôt des métallisations (PVD, CVD, sérigraphie, électrodépôt) disponibles dans la salle blanche. Il devra également acquérir les compétences de caractérisation optique et électrique des matériaux déposés. L'objectif est de développer un empilement de métallisation limitant au maximum les pertes résistives (RContact et RLigne). Les empilements développés seront également testés du point de vue optique (réflectivité dans l'infrarouge). Dans un deuxième temps, des dispositifs fonctionnels (cellules photovoltaïques) intégrant les développements effectués pourront être fabriqués et caractérisés. En parallèle de ces développements expérimentaux, le stagiaire aura accès à un logiciel de simulation en 2D (Silvaco Atlas) qui lui permettra de tester l'influence du design des métallisations sur les cellules à contacts en face arrière.

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REALISATION D'UN REGULATEUR PV POUR APPLICATIONS DE FAIBLES PUISSANCE 10mW - 10W AVEC TRACKER MPP. COMPARAISON AVEC UNE ARCHITECTURE DE TYPE « SHUNT »

Le sujet entre dans le cadre de l'étude des régulateurs photovoltaïques (PV) de faible puissance (10mW - 10W). L'objectif du stage est de réaliser puis caractériser un régulateur PV intégrant un suiveur de maximum de puissance (maximum power point tracker, MPPT). Les microcontrôleurs actuels offrent des consommations très faibles qui rendent intéressante l'implémentation d'un mppt même pour des applications de très faible puissance. Le but est de comparer un tel démonstrateur avec une architecture de régulateur classique « shunt » qui ne permet pas d'imposer le point de fonctionnement à la puissance maximum du module PV. On pourra ainsi définir un niveau de puissance minimum d'utilisation d'un tel régulateur. Les applications nomades étant visées, il sera judicieux d'étudier le comportement des deux types de régulateur sur des profils de ressource solaire très changeante (mobilité).

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Réalisation d'un banc d'ensoleillement à LED avec acquisition automatique de courbe IV

Le sujet entre dans le cadre de l'étude des modules photovoltaïques sous un éclairage artificiel contrôlé. Le banc à réaliser est basé sur des LED de puissance.

L'objectif du stage est de réaliser un banc à LED en considérant les contraintes spécifiques liées à l'enregistrement de courbes IV (courant / tension) des modules photovoltaïques. La réalisation du banc s'appuie sur les travaux déjà menés par le laboratoire sur une maquette existante à petite échelle. Une étude de l'électronique de pilotage des LED sera menée pour assurer une grande dynamique sur la variation de l'éclairage (faible bruit) ainsi qu'un réglage fin de l'équilibrage de l'éclairage des LED.

Le banc sera piloté sous Labview pour l'ensemble de la chaine : éclairage et acquisition de courbes IV.

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Développement de sources dopantes déposées par PECVD et réalisation de profils de diffusion spécifiques : application aux cellules photovoltaïques sur substrat silicium.

Ce stage se déroulera sur le site de l'INES (Institut National de l'Énergie Solaire) au sein du Laboratoire des Composants Photovoltaîques (LCP). Ce laboratoire possède une salle blanche avec tous les équipements nécessaires à la fabrication et la caractérisation de cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Un des axes de recherche de ce laboratoire concerne le développement de cellules photovoltaïques à haut rendement (?20%). Parmi les différentes technologies permettant d'atteindre les hauts rendements, les cellules à hétérojonctions et contacts en face arrière constituent une option prometteuse. Ces structures avancées nécessitent une attention particulière au niveau du design des contacts en face arrière. Les matériaux choisis ainsi que la géométrie de ces contacts jouent un grand rôle au niveau des pertes résistives et optiques dans le dispositif. Le stage se déroulera au sein de l'équipe travaillant sur les cellules à hétérojonction silicium amorphe/silicium cristallin et permettra de découvrir un large éventail de technologies de dépôt et de caractérisation utilisées dans la fabrication des cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Le stagiaire devra dans un premier temps se former aux différents modes de dépôt des métallisations (PVD, CVD, sérigraphie, électrodépôt) disponibles dans la salle blanche. Il devra également acquérir les compétences de caractérisation optique et électrique des matériaux déposés. L'objectif est de développer un empilement de métallisation limitant au maximum les pertes résistives (RContact et RLigne). Les empilements développés seront également testés du point de vue optique (réflectivité dans l'infrarouge). Dans un deuxième temps, des dispositifs fonctionnels (cellules photovoltaïques) intégrant les développements effectués pourront être fabriqués et caractérisés. En parallèle de ces développements expérimentaux, le stagiaire aura accès à un logiciel de simulation en 2D (Silvaco Atlas) qui lui permettra de tester l'influence du design des métallisations sur les cellules à contacts en face arrière.

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Développement de fluides thermiques pour centrales solaires

Le CEA développe avec des partenaires industriels des centrales solaires thermodynamiques à flux solaire concentré. Pour transférer la chaleur entre les capteurs et le cycle thermodynamique, on peut utiliser des huiles thermiques jusqu'à des températures de l'ordre de 400°C.
Dans le cadre d'un projet Carnot « Energie du futur », en liaison avec un autre laboratoire du CEA spécialisé en physico-chimie qui formule les fluides, le CEA LETh veut développer des huiles améliorées par l'adjonction de micro particules. Ceci permettrait d'améliorer le pouvoir caloporteur et calovecteur de ces huiles.
Le stagiaire participerait à la définition du cahier des charges, des simulations de performances au niveau des composants et du système, ainsi que des modifications et essais d'une installation existante de caractérisation thermohydraulique de ces huiles.

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Développement de sources dopantes déposées par PECVD et réalisation de profils de diffusion spécifiques : application aux cellules photovoltaïques sur substrat silicium.

Le sujet de stage propose de développer des méthodes de dopage innovantes, impliquant des couches diélectriques hydrogénées (bases SiNx, SiOx, SiCx) contenant des espèces dopantes phosphore et bore. L'étudiant sera amené à développer les procédés de dépôts (par voie PECVD) de ces couches diélectriques dopantes. Les propriétés des couches seront étudiées, ce qui amènera l'étudiant à utiliser des techniques de caractérisation optique, physico-chimique et électrique à l'aide d'outils de caractérisations spécifiques. Le potentiel de dopage et de passivation de ces couches sera également étudié. La recherche sera menée au sein de la plateforme Restaure sur le site de l'INES au Bourget du Lac, spécialement conçue pour développer des technologies photovoltaïques avancées et transférables à l'industrie. Une partie du stage sera dédiée à l'intégration des couches dopantes au sein d'une architecture de cellule photovoltaïque. La réalisation de cellules impliquant les couches développées sera l'occasion de se familiariser avec les procédés de fabrication industriels, et les principales caractéristiques électriques des cellules. Par le biais d'une étude orientée procédé et matériau, l'étudiant pourra donc acquérir une vision transverse du travail de R&D dans le secteur du photovoltaïque.

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Optimisation des ouvertures jonction pour diffèrent types de cellules solaires à haut rendement

Le marché photovoltaïque actuel est basé principalement sur des cellules de silicium cristallin sur substrat type P ou type N. Plusieurs technologies de ces cellules photovoltaïques à haut rendement sont développées à l'INES (Institut National de l'Energie Solaire). Un des points communs à toutes les cellules est l'ouverture jonction qui permet isoler la face avant de la face arrière des cellules et éviter la résistance parallèle.
L'objectif de ce stage est de travailler avec une source laser à impulsion intégrée sur un équipement industriel semi-automatique (détection des bords de plaques) pour développer des recettes d'ouverture jonction adaptés à chaque type de technologie (hétérojonction, homojonction type N, homojonction type P). L'adaptation et caractérisation du procédé et l'étude de pertes suite à l'ouverture sera aussi important pour maximiser le rendement des différentes cellules solaires. Des observations optiques et par microscope Electronique à Balayage des régions irradiées permettront d'identifier les parametres laser les plus adaptés à l'ouverture de jonction et des mesures électriques I-V sous éclairement et à l'obscurité des cellules solaires permettront de qualifier la qualité du procédé Laser.

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Identification des défauts limitant les performances des cellules photovoltaïques au silicium solaire par la spectroscopie en fonction du niveau d'injection et de la température de la durée de vie des porteurs de charge

Le but de ce stage est de développer à l'INES (Institut National de l'Energie Solaire) les techniques de spectroscopie en fonction du niveau d'injection et de la température de la durée de vie des charges libres, ces techniques permettant de déterminer les paramètres recombinants (position dans la bande interdite, rapport des sections efficaces de capture) du défaut limitant la qualité électrique du matériau et par conséquent son identification. Ce sont des techniques très récemment développées sur le silicium standard, mais leur transposition au silicium solaire reste à explorer. Il s'agira au cours du stage de préparer les échantillons nécessaires à ces caractérisations (polissages, dépôts PECVD, découpe laser), d'effectuer les mesures et de construire les outils de calculs permettant leur traitement. La mise en place pour ce matériau d'un tel outil de diagnostique permettrait assurément des progrès conséquents pour l'amélioration continue des équipements de purification et cristallisation. .

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Suppression des effets de dégradation du rendement de conversion des cellules photovoltaïques fabriquées à partir de silicium solaire purifié par voie métallurgique

L'utilisation massive du silicium solaire purifié par voie métallurgique permettrait à l'industrie photovoltaique de satisfaire à deux de ses principaux objectifs : réduction des coûts de fabrication via l'utilisation d'un matériau bas-coût et diminution de l'impact environnemental du procédé de fabrication des cellules. L'INES (Institut National de l'Energie Solaire) travaille sur ce matériau depuis quelques années avec des résultats marquants au niveau international. Cependant le silicium solaire a des propriétés photovoltaïques qui sont parfois instables sous éclairement, cette instabilité étant liée à la formation de complexes associant le bore et l'oxygène. On parle alors d'effets de LID pour « Light-Induced- Degradation ».
Il est important d'une part de pouvoir prédire au cours du procédé de fabrication des cellules l'amplitude des effets de LID et d'autre part de les supprimer. Ce sont les deux objectifs de ce stage. Pour la prédiction des effets de LID les travaux s'intéresseront à l'amélioration d'une technique brevetée par l'INES qui permet la cartographie rapide des teneurs en oxygène interstitiel via l'activation contrôlée d'agglomérats d'oxygène appelés donneurs thermiques. Les travaux sur la suppression des effets de LID concernent un procédé étudié à l'INES qui utilise les actions conjuguées de la température et de la génération de charges libres, on parle d'effets de LIR pour Light-Induced-Regeneration.

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Optimisation des algorithmes et de l'interface graphique d'un logiciel associé aux cartographies des teneurs en oxygène des siliciums photovoltaïques

Les performances des cellules solaires photovoltaïques fabriquées à partir de silicium cristallin dépendent très fortement des teneurs en oxygène présentes dans ce matériau. L'INES (Institut National de l'Energie Solaire) a développé une technologie innovante et brevetée pour obtenir rapidement des cartographies (images) des teneurs en oxygène. Les objectifs du stage concernent l'amélioration des algorithmes utilisés dans le logiciel développé à l'INES (accélération des étapes de calcul) et la création d'une interface graphique intuitive et attractive pour le lancement des différentes étapes de la méthode et l'affichage ainsi que les traitements mathématiques (statistiques, histogrammes) et graphiques (affichages en couleur / monochrome, changement d'échelle) des cartographies obtenues.
Ce stage s'adresse principalement à des étudiants en IUT informatique.

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