Brevet FR2400261A1 — publié le 19790309

La présente invention se rapporte à la conversion d'énergie solaire en énergie électrique au moyen de cellules solaires. Les dispositifs de conversion photovoltaique de l'énergie solaire actuellement étudiés et fabriqués peuvent être classés en deux groupes distincts D'une part, des systèmes sophistiqués dans lesquels la lumière est fortement concentrée, munis de servomécanismes de poursuite du soleil et essentiellement destinés à la construction de centrales solaires capables de délivrer des énergies supérieures à IMW. D'autre part, des panneaux fixes, munis ou non de dispositifs de concentration alimentant des appareils domestiques de faible consommation (chauffeeau, air conditionne ou destinés à répondre aux besoins spécifiques de localités isolées, essentiellement dans les pays en voie de développement (pompage de l'eau, télévision scolaire, radio-télécommunication) . Ce type d'applications ne requière pas de source d'énergie supérieure à quelques KW et l'utilisation de dispositifs-suiveurs ne se justifie pas économiquement. Le dispositif suivant l'invention est destiné à réduire substantiellement le cou t du watt photovoltaique des capteurs utilisés dans le deuxième groupe d'applications. Plus particulièrement, le but de la présente invention est de tirer meilleur parti des cellules au silicium généralement utilisées - qui représentent 50 % du prix commercial des capteurs-plans- en les soumettant à une plus grande illumination, sans pour autant faire appel à un dispositif de concentration fixe conventionnel. Le dispositif, objet de l'invention, consiste en un panneau transparent sur lequel sont disposées des cellules photovoltaiques et sous lequel est placé un jeu de surfaces à haut pouvoir réfléchissant dont la disposition permet d'assurer l'illumination de la face arrière des cellules. Un système d'orientation manuelle de l'ensemble du systeme doté d'au moins deux positions permet d'obtenir une moyenne annuelle de densité d'illumination sur la face antérieure des cellules sensiblement égale à la densité d'illumination reçue par leur face postérieure. Les cellules reçoivent ainsi une double illumination et dispensent par conséquent environ deux fois plus d'énergie électrique que des cellules conventionnelles grâce à l'adjonction d'un jeu de surfaces réfléchissantes de structure simple et de bas colt. Les buts et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description qui suit de dispositifs conformes à l'invention cités uniquement à titre d'exemple et représentés dans les dessins annexés, dans lesquels - La figure I est une vue en perspective partiellement schématique d'un dispositif constitué de deux éléments ainsi que des caractéristiques de localisation par rapport au soleil. - Les figures 2 et 3 sont des vues en plan schématiques d'un élement du dispositif définies par la ligne 8-8 de la figure I. - Les figures 4, 5 et 6 sont des vues en coupe schématique des diverses structures possibles pour les cellules solaires. - Les figures 7 et 8 sont des vues en plan montrant des exemples de configuration des métallisations des surfaces antérieures et postérieures des cellules, respectivement. Il est à noter que tous les composants ou parties similaires qui apparaissent dans ces figures seront systématiquement désignés par les mêmes nombres mais affectés de signes (') ou (") selon les figures. Avant de détailler le fonctionnement d'exemples de dispositifs à cellules solaires conformes à la présente invention, nous décrirons les composants de ces dispositifs : le composant essentiel est une cellule solaire au silicium désignée par le chiffre de référence 40 dans les figures 1, 2, 3, 7 et 8. Cette cellule doit être capable de tirer avantageusement profit de la double illumination à laquelle elle est soumise. Pour ce faire, trois types de structures différentes répondant à cet impératif sont proposés à titre d'exemples Dans la structure de type mesa représentée dans la figure 4, un substrat de silicium de type P désigné par le nombre de référence 27 est diffusé sur ses deux faces par des impuretés de type N. des fenêtres sont ensuite ouvertes sur sa face supérieure laissant apparaître les îlots 39 de type N. en métallisant les deux surfaces et en les gravant de manière appropriée, on obtient les doigts de métallisation 25 et 31 assurant les contacts avec les régions N 39 et 33, ainsi que les doigts 23 assurant le contact avec le substrat P 27. Pour l'obtention de la structure de type planar représentée par la figure 5, ce sont des procédés typiques de micro-électronique qui sont utilisés après oxydation thermique d'un substrat 27' des fenêtres sont ouvertes dans le dioxyde de silicium de la surface supérieure afin de procéder à une diffusion sélective d'impuretés de type N. On obtient'ainsi les régions 39' et 33', toutes deux de types N en ouvrant de nouvelles fenêtres dans les îlots 37 de SiOa et en métallisant de façon appropriée les deux surfaces, on obtient la structure finale représentée dans laquelle les contacts 25' et 31' se font sur les régions N et les contacts 23' se font sur le substrat 27', de type P. Il est à noter que les deux structures décrites précédemment présentent deux jonctions PN respectivement désignées par les nombres 29, 35 et 29', 35' qui permettent de collecter avec une grande efficacité les porteurs générés par la lumière incidente sur les deux faces de la cellule. On comprendra mieux la structure des grilles de collection supérieures en se référant à l'exemple de la figure 7. la configuration interdigitale présentée s'applique aux deux structures précédemment décrites; les doigts semi-cireulaires 42 et 44 sont destinés recueillir les porteurs issus des régions P et N et à recevoir les contacts qui connecteront la cellule 40 à la cellule voisine; les doigts 23 et 25, dont la-surface totale est calculée pour ne pas obscurcir outremesure la surface supérieure de la cellule assurant la collection des porteurs générés dans le semi-conducteur. Quant à la métallisation de la face inférieure de la cellule, on peut adopter une configuration de type classique comme celle représentée dans la figure 8 : les doigts 31 de collection des porteurs sont tous reliés au doigt central 46, lui#même connecté extérieurement à la métallisation 44 de la figure 7 mettant ainsi en parallèle les deux jonctions PN existant dans le semi-conducteur. Une autre structure possible représentée dans la figure 6 se rapproche davantage de la structure des cellules solaires couramment commercialisées qui présentent habituellement trois couches superposées :une semelle 36 de type P+, un substrat 27" de type P et une couche diffusée 39" de type N formant une jonction PN 35" avec le substrat; les deux modifications essentielles apportées à cette structure concernent d'une part 1 'épaisseur du substrat 27" qui peut être diminué de moitié tout en optimisant le taux de collection total et d'autre part la métallisation 31" de la face inferieure qui peut présenter une forme comparable à celle représentée dans la figure 8 au lieu de la métallisation uniforme generalement adoptee, enfin, la,métallisation supérieure 25" peut, elle aussi, être réalisée conformément à la configuration présentée par la figure 8 tandis que la semelle 36 peut être éliminée. Le second composant important d'un dispositif selon l'invention consiste en un dispositif collecteur de lumière disposé sous la face arrière du panneau transparent supportant les cellules solaires précédemment décrites. Ce dispositif collecteur peut être avantageusement composé de deux surfaces réfléchissan- tes tels les deux miroirs 3 et 5 qui apparaissent dans la figure I. En se référant à la figure 2 dont le plan est parallèle au plan défini par la ligne 8 de la figure I, on constate que, dans une telle configuration, le plan du miroir 3' présente un angle 55 par rapport à la surface plane 7' tandis que le plan du miroir 5' est sensiblement perpendiculaire au plan de la surface plane 7'. Un autre composant important est constitué par le panneau 7 de la figure I, sur lequel sont disposées les cellules et dont les qualités essentielles sont son haut pouvoir de transmission de la lumière et son comportement en tant qu'isolant électrique parfait. Enfin, l'ensemble du dispositif composé par un nombre quelconque d'éléments semblables aux deux éléments de la figure I est également doté d'un système lui permettant d'être orienté manuellement suivant plusieurs directions privi legiees, ces mouvements s'effectuant autour d'un axe longitudinal sensiblement parallèle au plan défini par la trajectoire apparente quotidienne du soleil. La figure I dans laquelle apparait un exemple de dispositif selon l'invention, constitué de deux éléments de I3 cellules 40 chacun, illustre le principe général de fonctionnement de ce dispositif : la surface supérieure 7 du système étant perpendiculaire au plan IO, lui-meme parallèle à la trajectoire quotidienne 9 du soleil I3 en un jour privilégié de l'annee, et les rangées de cellules 40 étant disposees parallèlement au même plan IO, les rayons dudit soleil viendront frapper la face arrière desdites cellules après avoir traversé la surface dégagée de cellules du panneau transparent 7, et stêtre réfléchi simplement sur le miroir 3 ou s'être doublement et successivement réfléchi sur les miroirs 3 et 5.Dans la figure I, les trajectoires Il du soleil représentent des trajectoires en des jours où l'illumination de la face supérieure des cellules n'est pas normale à celle-ci. On se référera aux figures 2 et 3 pour mieux comprendre l'importance de l'orientation et de la taille respective des divers composants du dispositif. Un premier pas consiste en l'optimisation des valeurs de l'angle 55, du segment de droite 6I, défini par les points 52 et 54, et de la distance minimale 63 entre la surface plane 7' et le premier miroir 3' afin d'assurer l'illumination totale de la face~arrière des cellules pendant toute l'année Ces valeurs dépendent-essentiellement de la déclinaison maximale des rayons du soleil par rapport à la normale à la surface des cellules ainsi, si un rayon 53 frappe le segment 61 en 52 avec un angle d'incidence maximal 57, il doit être réfléchi par le miroir 3' en 54; de même, le rayon 5I frappant le segment 61 en 54 avec un angle d'incidence maximal 59, égal à 57, doit être réfléchi par le miroir 3' en 56. Les conditions précédentes étant respectées et si l'on dote, par exemple, le système de deux positions que l'on peut qualifier d'été et d'hiver, l'angle maximal d'incidence, 57 ou 59, sera égal à II 73'; dans ce cas, si l'on appelle d le diamètre des cellules 40, et en choisissant l'angle 55 égal à 27 30', la distance 63 sera égale à 0,69 d et le segment 61 à I,6I d. Ces dimensions permettent à la fois au système de lui conférer une taille raisonnable tout en assurant une densité d'illumination de la face postérieure des cellules, par réfection directe sur le miroir 3', variable de 40 % à 70 %-de la densité d'illumination reçue par leur face antérieure, suivant la période de l'année. Il est à noter que le fait de munir le système de plus de deux orientations différentes permet à la fois de réduire ses dimensions tout en assurant encore une meilleure illumination de la face arrière de ses cellules. Reste à examiner les avantages que l'on peut tirer du positionnement du deuxième miroir 5', faisant d'ailleurs partie intégrante de la structure du système et n'apportant par conséquent aucune complication quant à sa réalisa= tion technologique. En se référant à la figure 3, on constate que tous les rayons 70, en l'occurrence perpendiculaires à la surface supérieure du dispositif, incident entre les points 71 et 73 du segment 61' sont simplement réfléchis par le miroir 311 sur la face postérieure de la cellule 40; quant au rayon 72, incidant entre les points 73 et 75 du segment 61', ils subissent une double réflection sur les miroirs 3" et 5" avant de frapper la face postérieure de la même cellule 40.On obtient ainsi, dans le cas où le miroir S" est disposé perpendiculairement à la surface transparente 61', -une densité d'illumination reçue par la face arrière des cellules variables de 75 % a 118 % de la densité d'illumination reçue par leur face avant, selon les périodes de l'année; soit une densité d'illumination annuelle moyenne égale à 97 Z. C'est pourquoi un tel système permet aux cellules de recevoir une rtro- illumination sensiblement égale à l'illumination recule classiquement par leur face supérieure et, globalement, une illumination double de celle reçue par les cellules d'un panneau -plan de type conventionnel. Cette double illumination est mise à profit par des cellules, comme celle représentée par la figure 6, qui possède le double avantage d'avoir un rendement supérieur à IO % (en considérant l'illumination totale reçue, supérieure et inférieure et de présenter une épaisseur moindre,d'environ I2oy^que les que les cellules classiques (250r typiquement); dans ce cas particulier, pour fournir une puissance comparable à un capteur photovoltaique classique, le dispositif suivant l'invention nécessite environ 2 fois moins de cellules, environ 4 fois moins de silicium, économie qui compense très largement l'apport du système de surfaces réfléchissantes, peu coûteuses; quant aux cellules mesa et planar respectivement représentées par les figures 4 et 5, leur relative difficulté de réalisation technologique est compensée par un rendement interne plus élevé, pouvant atteindre I5 %. Enfin, tout dispositif suivant l'invention peut être également muni d'un système de surfaces réfléchissantes dont les dispositions respectives permettent de concentrerla lumière solaire sur l'ensemble du panneau 7 de la figure I. Ces surfaces réfléchissantes, au nombre de 2 ou de 4 et disposées autour du dispositif complet permettent d'obtenir une concentration d'un facteur 2 pour les illuminations supérieure et inférieure des cellules, si elles sont orientées d'une manière appropriée. Le dispositif, objet de l'invention peut être utilisé dans tous les cas où une source de puissance électrique inférieure à quelques KW est nécessaire. Dans des pays développés, il peut être utilisé pour le pompage de l'eau dans des régions désertiques ainsi que pour des usages de type domestique, tels des systèmes d'air conditionné ou des chauffe-eau, par exemple; dans tous ces cas les bornes --du dispositif sont connectées directement à celles du système électrique qu'il actionne. Dans des pays en voie de developpement, il peut très avantageusement être utilisé pour actionner des appareils requérant une faible énergie électrique, tels des dispositifs de télécommunication par radio ou des télévisions scolaires; dans de tels cas, un accumulateur est placé entre le capteur et l'appareil afin de pouvoir stocker l'énergie électrique générée. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été cités qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'inventiqn inclue tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS I. Dispositif pour convertir l'énergie solaire en énergie élèctrique par cellules solaires en silicium, caractérisé par le fait que les deux faces desdites cellules sont simultanément illuminées au moyen d'une ou de plusieurs surfaces réfléchissantes. 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que les cellules précitées sont disposées sur une surface plane et ordonnées en rangées suffisamment espacées pour permettre aux rayons du soleil de venir frapper la face postérieure des cellules après une ou plusieurs réf lections. 3. Dispositif suivant la revendication I ou 2 caractérisé par le fait que la surface sur laquelle les cellules sont disposées est transparente. 4. Dispositif selon la revendication I, 2 ou 3 caractérisé par le fait qu'un élément réflecteur plan placé sous le panneau transparent supportant les cellules est légèrement incliné par rapport à ce panneau. 5. Dispositif selon l'une des revendications I, 2 3 ou 4 caractérisé par le fait qu'un deuxième élément réflecteur est place de façon sensiblement perpendiculaire au plan supportant les cellules. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5 caractérisé par le fait que les cellules de silicium comprennent deux jonctions PU proches de chacune de leurs faces. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la face supérieure de la cellule a une structure de type mesa permettant d'établir des contacts sur le substrat. 8. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la face supérieure de la cellule a une structure de type planar permettant d'établir des contacts sur le substrat. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8 caractérisé par le fait que la métallisation apparaissant sur la face supérieure de la cellule présente une configuration interdigitale. IO. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I a 5 caractérisé par le fait que les cellules présentent une seule jonction PN. II. Dispositif selon la revendication in 10-caractérisé par le fait que les cellules se présentent sous forme de bandes déposées en couches minces. 12. Dispositif selon l'une des revendications 9, IO ou Il caractérisé par le fait que la métallisation de la partie inférieure des cellules présente une configuration digitale. I3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il est muni de moyens permettant audit dispositif de storien- ter suivant plusieurs directions privilégiées, ces mouvements se faisant autour d'un axe longitudinal sensiblement parallèle à la direction des rangées de cellules. I4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérise par le fait qu'il comporte un dispositif de concentration de la lumière sur la surface transparente servant de support aux cellules.