Cellules solaires (Photo) Voltaïques et (Photo) Électrochimique :

S´inspirer de la nature pour la transition énergétique

Par: Prof. Ahmed ENNAOUI
Université Mohammed V , Maroc

ABSTRACT

Nous abordons le processus de conversion quantique de l´énergie solaire en électricité et/ou en carburants (fuels). Nous partons de la capture des quanta d´énergie de la lumière du soleil par les molécules de chlorophylle contenues dans les plantes et leur stockage sous forme de matières organiques, – c´est la photosynthèse. –  Ce processus naturel utilise l’eau pompée par les racines, et peut fixer chaque année plusieurs Gigatonnes de carbone à partir du dioxyde de carbone CO2 de l´atmosphère par un mécanisme où les quanta d´énergie sont transformés en énergie électrique puis chimique dans une cascade complexe de réactions d’oxydo-réduction qui consomme le carbone ( C ), les protons ( H+ ), et les électrons ( e). Ainsi la plante est capable de fabriquer des molécules organiques riches en énergie (Biomasse, Glucose), elle libère de l´oxygène (O2) nécessaire à la vie terrestre. Néanmoins la photosynthèse naturelle fonctionne avec un rendement assez faible 1%. La question à un million de dollars : peut-on fabriquer des dispositifs capables de convertir les quanta de lumière du soleil en une autre forme d´énergie (chimique, électrique, biomasses, …) en quantité suffisante (rendements important) par des mécanismes que l´on peut maitriser technologiquement en s´inspirant de la photosynthèse ? Une solution durable au problème de l´intermittence de l´énergie solaire pour la transition énergétique.

Les performances des cellules solaires peuvent être contrôlées par les propriétés électroniques des matériaux, leur composition et leur assemblage technologique via l´optimisation de quatre processus fondamentaux : (1) l´absorption de lumière visible, (2) la création des paires (électron-trou), porteurs de charges électriques, (3) leur séparation immédiate pour empêcher leur recombinaison et (4) le transfert de ces porteurs de charge pour la production d´électricité ou/et de carburants. L´étape (4) s´effectuer à l´interface métallurgique entre deux phases solides du même matériau ce sont les jonction P-N et c´est essentiellement la technologie des cellules au silicium (première génération, 1G). Par ailleurs, d´autres technologies existent basées sur des dispositifs avec deux matériaux différents par leur composition, leur conductivités électroniques et par l’alignement énergétique des bandes, ce sont les Hétérojonctions en couches minces ou seconde génération de cellules solaires (2G) avec les composés binaires II-VI et ternaires II-III-VI2.

La troisième génération (3G) fabriquée avec des composés III-V et II-IV-V2 peut atteindre des rendements considérables lorsqu’ils sont couplés à des dispositifs optiques de concentration de lumière. Les progrès des nanotechnologies ont poussé les scientifiques et les ingénieurs à s´intéresse de plus en aux nanomatériaux qui possèdent des propriétés particulières résultant de l´émergence de phénomènes de confinement quantique qui influent considérablement les propriétés électroniques.  Ce nouveau type de cellules solaire ultra-mince (taille de quelques nm) est actuellement au stade de la recherche fondamentale avec des résultats prometteurs.

Envisageons maintenant les dispositifs où le transfert de charge s´effectue entre une phase solide (e.g. un matériau semiconducteur) et une phase liquide (e.g. une solution aqueuse ou électrolyte), dans ce cas la consommation des porteurs de charges s´effectue via une réaction photoélectrochimique d´oxydoréduction.  Ce sont les cellules solaires photo-électrochimiques (PECs) pour produire de l´électricité ou les cellules photocatalytique pour produire de l´hydrogène (et de l´oxygène). Dans ces dispositifs, la production d´hydrogène et d´oxygène s´effectue à l´interface Solide/Liquide composées d´une anode où se produit la photo-oxydation de l´eau en oxygène O2 “Oxygen Evolution Reaction ou OER” et une cathode pour la production de l´ hydrogène H2 “Hydrogen Evolution Reaction ou HER”.

Ce sont ces dispositifs qui peuvent s´inspirer de la photosynthèse. Il est important de noter que la production d´hydrogène par voie photoélectrochimique est un processus impliquant 4 électrons qui nécessite des matériaux d´électrodes possédant des propriétés photocatalytiques exceptionnelles. La photoréduction (ou fixation) du dioxyde de carbone CO2 peut être analysée d´une manière similaire. Néanmoins d´autre technologies déjà maitrisé peuvent être utiliser pour combiner l´hydrogène H2 de la photoélectrolyse avec le dioxyde de carbone CO2 de l´atmosphère, dans des processus disponibles technologiquement comme les réactions catalytiques de Sabatier ou de Fischer-Tropsch.

Cette conférence a pour objective la compréhension des mécanismes qui régissent la conversion photovoltaïques et photoélectrochimique de l´énergie solaire pour la production de l´électricité et de d´hydrogène respectivement. L´état de l´art et les paramètres essentiels pour améliorer le rendement, et les perspective avenirs seront discutés lors cette conférence.

BRIEF BIOGRAPHY

Prof. Ahmed ENNAOUI received his Advanced Diploma (DEA) in the field of solid-state electronics and Doctoral degree with a thesis entitled: “Hydrogen treatment and Photoelectrochemical investigation of TiO2 Single crystal Electrode in contact with an aqueous electrolyte for water splitting” from the University of Bourgogne, France. He served as professor of physics at University Mohammed V (Morocco) and moved to Germany conducting research with Prof. Dr. Helmut Tributsch (1983-1987) on novel earth-abundant materials for solar cells in the department “Solare Energetik und Materialforschung” at the Hahn Meitner Institute (HMI), Germany. He completed his habilitation “Summa Cum Laude” in 1987 and worked as scientist, senior scientist at HMI then promoted head research group at Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) for materials and energy, he explored photoelectrochemical hydrogen terminated Silicon, processing high efficiency Cd-free Cu-chalcogenide thin film solar cells, Dye-sensitized solar cell, and 2D materials (MX2 , M = Mo,W; X = S,Se) . His research has been funded by the European Commission, the German Federal Ministry of Education and through successful feasibility studies financed by the industry (Siemens/Shell-Solar/Avancis, Solibro, Bosch, Atotech). His expertise lies in the area of processing materials and devices for solar energy conversion, and has made over more than 300 scholarly contributions, including nearly 200 peer-reviewed research papers and numerous conference papers. His published work on pyrite FeS2, 2 Dimensional layered materials, kesterite, cadmium free chalcopyrite solar cells, DSSC solar cells has been recognized (h-index = 42; i10-index = 93; April 2020). He edited five special issues and granted several patents, He is a permanent member of the Editorial Board of Solar Energy Materials and Solar Cells, meanwhile reviewer for several top scientific journals. He is an active member of International Solar Energy Society (ISES), and the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). He served for many years for tutorial evaluation of renewable energy seminar programs for graduate students at Free University Berlin, Germany. During his career he supervised more than 40 completed thesis and ca. 15 Postdoctoral have worked in his group. He was member of Qatar Foundation (2015-2017) with a position of joint Professor at Hamad Bin Khalifa University (HBKU), where he designed the syllabus on PV technology and taught several seminars on Solar Photovoltaic Technology for graduate students at the College of Science and Engineering of HBKU. He worked as research director of Solar Energy group at Environmental and Energy Research Institute (QEERI). At QEERI he was conducting research, managing research groups, recruiting top talents, and building partnerships with industry and academia. He managed QEERI’s solar test facilities (STF with ~200 kW), and worked on the development of PV soiling solution, improving O&M of the infrastructure at the STF and builds relevant low CAPEX manufacturing Thin Film PV technology to reduce the cost per watt peak of thin film solar cells through building of a baseline for inkjet printing as a precision deposition technology. Currently Ahmed Ennaoui serves as president of the Scientific Council of IRESEN “the Moroccan Solar Energy Research Institute”, deeply engaged in the establishment of mechanisms to support and reinforce R&D on renewable energy and the evaluation and monitoring of IRESEN projects. 

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