Brevet FR2500685A1 — publié le 19820827

La présente invention concerne un agencement de cellules photovoltalques, notamment pour générateur solaire, comportant une pluralité de telles cellules photovoltalques individuelles formant au moins une channe dans laquelle lesdites cellules sont électriquement reliées en série. Elle se rapporte plus particulièrement à la constitution de générateurs solaires photovoltalques à application terrestre et plus particulièrement de ceux pourvus de concentrateurs de flux solaire. On sait que les cellules photovoltalques sont constituées d'un bloc de faibles dimensions d'une matière semiconductrice comportant une jonction PN ou NP le séparant, dans le sens de son épaisseur, en un substrat de type N (ou P) et une zone superficielle de type P (ou N). Cette zone superficielle est destinée à être dirigée vers le flux solaire , tandis que le substrat sert à la fixation des cellules sur un support électriquement isolant. Dans le cas où le substrat est de type P, alors que la zone superficielle est de type N, on dit que la cellule photovoltalque correspondante est de type NP. Inversement, si le substrat est de type N et la zone superficielle de type P, on attribue à la cellule le type PN. Sur terre, les performances des cellules PN et des cellules NP sont équivalentes,de sorte que l'on pourrait utiliser pour la réalisation de générateur~ solaires terrestres, soit des cellules PN, soit des cellules NP. Cependant, étant donné que les cellules PN sont, en l'état actuel de la technologie, rapidement détériorées par les rayonnements particulaires spatiaux, seules les cellules NP sont utilisées pour les générateurs solaires spatiaux ; et comme, par ailleurs, la technologie des générateurs photovoltalques terrestres est jusqu'à présent calquée sur celle des générateurs photovoltaiques spatiaux, il en résulte que les génétateurs photovoltarques terrestres sont actuellement équipés principalement de cellules NP.---On doitpourtant remarquer que les inconvénients reprochés aux cellules PN lors de leurs applications spatiales disparaissent pour des applications terrestres, puisque sur terre l'effet destructeur du rayonnement particulaire est fortement atténué , sinon complètement supprimé par la traversée de 1' environnement terrestre. Ainsi, dans l'etat-actuel de la technique, les agencements de cellules photovoltalques connus sont constitués de cellules d'un seul type et celui-ci est généralement de type NP. Dans ces agencements connus, les cellules sont fixées par exemple collées, par leur substrat sur un support isolant commun et, pour obtenir les chaines dans lesquelles des cellules sont électriquement connectées en série, on est obligé d'établir à chaque fois une connexion entre le substrat d'une cellule et la zone superficielle de la cellule suivante de la chaîne. L'établissement de telles connexions entre substrats et zones superficielles est particulièrement difficile et malaisé, comme cela est décrit dans le brevet français 76 13239 (2 350 696) de la Demanderesse. Pour tenter de remédier à ces difficultés de câblage, la demande de brevet français 78 13881 ( 2 425 727) propose de disposer les cellules photovoltaiques consécutives en gradins, de sorte que le substrat d'une cellule repose sur une partie de la zone superficielle de la cellule suivante. Une telle solution, outre qu'elle comporte ses propres difficultés et complications de réalisation, présente l'inconvénient majeur qu'une partie de la face sensible de chaque cellule est cachée par la cellule précédente, de sorte que, à performances égales, le réseau décrit dans cette demande de brevet français nécessite plus de matière semi-conductrice que les autres réseaux connus, ou bien que, à quantité de matière semi-conductrice égales les performances dudit réseau sont plus faibles. Par ailleurs, pour tourner ces difficultés, l'auteur de la demande de brevet français 79 11860 ( 2 425 726) propose d'abandonner la réalisation de tels agencements au moyen de cellules photovol#aIques individuelles et de fabriquer des agencements par les techniques des circuits intégrés monolithiques, de sorte que toutes les cellules sont formées dans le même bloc de matière semi-conductrice et que les réalisations des différentes liaisons électriques peuvent être prévues comme étapes de la réalisation du réseau intégré. La présente invention a pour objet la réalisation d'un agencement photovoltalque au moyen de cellules individuelles, permettant d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus et le recours à la technologie des circuits intégrés. A cette fin, selon l'invention, l'agencement comportant une pluralité de cellules photovoltalques individuelles formant au moins une chaîne dans laquelle lesdites cellules sont électriquement reliées en série, chaque cellule étant formée par un bloc de matière semiconductrice comportant une jonction le séparant, dans le sens de son épaisseur, en un substrat et une zone superficielle de types de conduction opposés, est remarquable en ce que ladite chaine est formée par une alternance de cellules photovoltalques de type PN et de type NP et en ce que,dans un groupe de trois cellules consécutives de la channe, les connexions se font alternativement entre les substrats de la première et de la seconde cellules, et entre les zones superficielles de la seconde et de la troisième. Avantageusement, les cellules PN et les cellules NP sont choisies de façon à présenter des caractéristiques géométriques et des performances semblables. Ainsi, grâce au fait que, selon l'invention, on réalise l'agencement au moyen des cellules des deux types, et non pas au moyen de cellules d'un seul type comme dans la technique antérieure, il est possible de supprimer les connexions mal commodes entre le substrat d'une cellule et la zone superficielle de la cellule suivante. De préférence, selon l'invention,la channe est formée de paires de cellules dé types opposés fixées de manière électriquement conductrice, par leurs substrats, sur un support électriquement conducteur (et non pas isolant comme dans la technique antérieure) et deux paires consécutives sont connectées par une liaison entre les zones superficielles des deux cellules de types opposés en regard. Ainsi, selon l'invention, les liaisons électriques entre substrats sont automatiquement réalisées lors de la fixation des cellules sur leurs supports et il ne resté donc qu'à réaliser les liaisons (faciles) entre les zones superficielles des cellules, c'est-à-dire entre les faces apparentes et accessibles de celles-ci. De préférence, chacun desdits supports comporte une pluralité de paires de-cellules de types opposées, lesdites paires étant disposées en parallèle. Par ailleurs, de tels supports conducteurs de l'electri- cité peuvent de plus être thermiquement conducteurs. Ils peuvent alors servir d'élément radiateur thermique pour l'évacuation de la chaleur engendrée dans la cellule photovoltalque. Cette particularité est notamment intéressante lorsque le réseau de cellules photovoltalques est associé à un concentrateur de flux solaire. A cet effet, la fixation des cellules photovoltalquessur leur support est réalisée par une soudure métallique. On sait en effet que, pour diminuer le nombre des cellules photovoltalques d'un réseau (et donc son prix) tout en maintenant constante la puissance fournie par le générateur solaire pourvu dudit réseau, il est avantageux de concentrer le flux solaire au moyen de lentilles ou de réflecteurs. Toutefois, de tels concentrateurs de flux solaire augmentent la quantité de chaleur dissipée dans les cellules et, comme le rendement de celles-ci est défavorablement affecté par une augmentation de température, il est nécessaire de les refroidir énergiquement.Par suite, la particularité mentionnée ci-dessus est très importante, et elle peut consister à souder , par un apport métallique, les cellules sur le support métallique correspondant, ce qui permet d'obtenir à la fois les liaisons électriques et thermiques désirées, tout en favorisant l'évacuation de la chaleur engendrée. Une telle évacuation est obtenue par refroidissement dudit support métallique. Le refroidissement des supports métalliques peut être obtenu de toute façon connue. Toutefois, il est particulièrement avantageux que, par exemple de façon semblable à ce qui est prévu dans la demande de brevet français NO 80 21595 déposée le 9 octobre 1980 au nom de la Demanderese, chaque support soit en contact thermique étroit avec au moins un conduit de chaleur, du type généralement appelé caloduc et mettant en oeuvre le changement d'état d'un fluide, ce ou ces conduits étant eux-mêmes refroidis par la circulation d'un fluide ou d'un liquide. Dans un mode avantageux de réalisation, l'agencement selon l'invention comporte une pluralité de supports métalliques disposés les uns à la suite des autres et pourvus de conduits de chaleur baignant dans un fluide de refroidissement, chaque support comportant deux rangées parallèles de cellules photovoltaiques et chaque rangée étant transversale à la suite de supports et composée d'un seul type de cellules, tandis que deux supports consécutifs sont disposés de façon que les cellules du type PN de l'un soient en regard des cellules du type NP de l'autre, ces cellules étant électriquement reliées par leurs zones superficielles. Avantageusement, afin d'augmenter la fiabilité de l'agencement, les différents supports sont thermiquement et électriquement interconnectés. Les figures du dessin annexé feront bien compren#dre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 illustre un agencement de cellules photo voltalques connu. La figure 2 illustre en vue de côté un exemple de réalisation de l'agencement de cellules selon l'invention. La figure 3 est une vue de dessus de l'agencement selon l'invention de la figure 2. Le réseau de cellules photovoltaiques connu, montré par la figure 1, comporte une pluralité de telles cellules 1, toutes identiques, connectées en série de façon à former au moins une chaîne. Chaque cellule 1 est formée par un bloc de matière semi-conductrice, par exemple du silicium, dans lequel on a formé, par exemple par diffusion, une jonction 2 séparant ledit bloc, dans le sens de son épaisseur, en un substrat 3 et en une zone superficielle 4 de types de conduction opposés. Par exemple,les substrats 3 sont de type P, alors que la zone superficielle 4 sont de type N. Toutes les cellules 1 sont fixées sur un support structural 5, par exemple métallique pour être conducteur thermique, par exemple par collage (en 6) de leur substrat 3 sur un support intermédiaire électriquement isolant 7. Les zones superficielles 4 de toutes les cellules 1 sont destinées à être orientées vers le flux solaire incident, représenté par les flèches S. Les liaisons électriques entre deux cellules photo vol ta Iques 1 consécutives sont réalisées au moyen de connecteurs 8 reliant, dans la chaîne, le substrat 3 d'une cellule précédente à la zone superficielle 4 de la cellule suivante. Ainsi, chaque connecteur 8 est soudé à l'une de ses extrémités, en 9, à un substrat 3 et à son autre extrémité, en 10, à une zone superficielle 4, de sorte que les connecteurs 8 additionnent les tensions des cellules 1 reliées. On remarquera que, dans ce réseau connu - l'agencement des cellules photovoltaiques 1 nécessite trois collage ou soudage par cellule, à savoir en 6, 9 et 10 - le soudage des connecteurs 8 en 9 est particulièrement malaisé, puisque le point 9 se trouve à la partie inférieure du substrat 3 , si ce n'est sous celui-ci. Lorsque les cellules photovoltaiques reçoivent le flux solaire S, éventuellement Par l'intermesdiaire d'un concentrateur de flux 11, non seulement elles engendrent un photocourant, mais de plus elles deviennent le siège d'un dégagement de chaleur important, nécessitant de les refroidir. Pour cela, on refroidit énergiquement le support métallique 5, formant élément radiateur. Cependant, pour éviter le court-circuit électrique desdites cellules, il est indispensable de les isoler du support 5 par l'intermédiaire du support isolant 7 et il en résulte une mauvaise transmission de la chaleur entre les cellules 1 et le support 5 et donc un mauvais refroidissement de celles-ci. Sur les figures 2 et J on a représenté un exemple de réalisation de l'agencement selon l'invention. Cet agencement comporte une pluralité de supports métalliques 20i, 20j, 20k, 201, etc... disposés les uns à la suite des autres et portant chacun une double pluralité de cellules photovoltaiques, les unes étant de type PN et les autres de type NP. Par exemple, les cellules photovoltaiques 21m, 21n, 21o et 21p sont de type PN et sont réparties selon un alignement transversal à la suite des supports 20i, 20j, 20k, 201, etc... Les cellules photovoltaiques 22m, 22n, 22O et 22p sont de type NP et sont réparties selon un autre alignement parallèle à celui des cellules PN. Chaque support métalliques 20i, 20j, 20k, 201, etc... porte un alignement de cellules 21m, 21n, 21O, 21p.... et un alignement de cellules 22m, 22n, 22O, 22p, ... Chacune des cellules 21m, 21n, 21O, 21p,... et 22m, 22n, 22O, 22p... est rendue solidaire du support métallique correspondant grâce à une soudure métallique 23 ou 24 respectivement. Ainsi, grâce à ces soudures 23 et 24, lesdites cellules sont en excellent contact, aussi bien électrique que thermique, avec leur support et, de plus, le substrat de type N des cellules 21m, 21n, 21O, 21p,... est électriquement connecté au substrat de type P des cellules 22m, 22n, 22O, 22p... Par ailleurs, entre la zone superficielle de type N des cellules 22m, 22n, 22O, 22p... portées par un support et la zone superficielle de type P des cellules 21m, 21n, 2lo, 21p.... portées par le support suivant, on établit des liaisons électriques, respectivement au moyen de connecteurs 25m, 25n, 25o, 25p etc... On obtient ainsi des channes des cellules en série, telles que la channe 21m, 22m, 21m, 22m, 21m, etc.... Par ailleurs, gracie à des connecteurs 26 on peut réunir en parallèle plusieurs desdites chaines. Les supports 20i, 20j, 20k, 201, ... sont montés de façon étanche sur des ouvertures 27 de la paroi d'une enceinte 28, dans laquelle circule un fluide de refroidissement, dont la circulation est symbolisée par les flèches F. Par ailleurs, chaque support 20i, 20j, 20k, 201,... est en contact thermique étroit avec un ou plusieurs conduits de chaleur 29plongeant dans l'enceinte 28, à travers les ouvertures 27. Les conduits de chaleur 29 sont par exemple du type comprenant une enveloppe, par exemple tubulaire, enfermant un fluide susceptible de passer de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant de la chaleur, puis de l'état gazeux à l'état liquide en dégageant de la chaleur. Ainsi, ledit fluide absorbe la chaleur à l'extrémité chaude du conduit 29 (c'est à-dire le support 20i, 20j, 20k, 201, ...) en se volatilisant et la transporte à l'extrémité froide de celui-ci (c'est-à-dire l'intérieur de l'enceinte 28) où il se condense. Le liquide est ramené au voisinage dudit support 20i, 20j,... soit par gravité soit par capillarité. On voit ainsi que, selon l'invention, on obtient un agencement fiable - l'association de deux cellules photovoltalques en série sur un seul support permet de supprimer un connecteur sur deux ; - l'association en parallèle de groupes de deux cellules (en série) permet de constituer des ensembles. le support commun permet d'assurer 1) en cas de panne d'un conduit de chaleur 29, un refroidissement suffisant de l'ensemble ; 2) en cas de défaut de continuité électrique, un maillage qui diminue sensiblement la. probabilité des pertes de performances. De plus, le nombre de soudures est réduit à deux par cellules, alors que chaque cellule de la technique antérieure devait comporter trois soudures.L'invention présente également l'avantage d'assurer une liaison cellule-support par soudure métallique, ce qui augmente le transfert de chaleur et permet l'utilisation d'un taux de concentration élevé. L'agencement des figures 1 et 2 est particulièrement approprié à être associé à un concentrateur solaire tel que 11, puisque la dissipation de la chaleur des cellules est particulièrement efficace à travers les soudures métalliques 23 et 24 et les conduits de chaleur 29. Un tel concentrateur solaire peut être de tout type connu : miroirs, lentilles, lentilles de Fresnel, etc.... REVENDICATIONS 1.- Agencement comportant une pluralité de cellules photovoltalques individuelles formant au moins une channe dans laquelle lesdites cellules sont électriquement reliées en série, chaque cellule étant formée par un bloc de matière semi-conductrice comportant une jonction le séparant, dans le sens de son épaisseur, en un substrat et une zone superficielle de types de conduction opposés, caractérisé en ce que ladite chaine est formée par une alternance de cellules photovolta#ques de type PN (21) et de type NP (22) et en ce que, dans un groupe de trois cellules consécutives de la channe, les connexions se font alternativement entre les substrats (par 20) de la première et de la seconde cellules et entre les zones superficielles de la seconde et de la troisième (par 25). 2.- Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules PN et les cellules NP sont choisies de façon à présenter des caractéristiques géométriques et des performances semblables. 3.- Agencement selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterisé en ce que la chaîne est formée de paires de cellules (21,22) de types opposés, fixées de manière électriquement conductrice, par leurs substrats, sur un support (20) électriquement conducteur et en ce que deux paires consécutives sont connectées par une liaison (25) entre les zones superficielles des deux cellules de types opposés en regard. 4.- Agencement selon la revendication 3, comportant plusieurs channes de cellules en série, caractérisé en ce que chacun desdits supports (20) comporte une pluralité de paires de cellules de types opposés, lesdites paires étant disposées en parallèle. 5.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque support (20) est de plus conducteur de la chaleur et sert d'élément radiateur thermique pour l'évacuation de la chaleur engendrée dans les cellules photovoltaiques. 6.- Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les cellules photovolta#ques sont soudées, par un apport métallique (23, 24), sur le support (20) correspondant, formé par une pièce métallique. 7.- Agencement selon lune des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque support est en contact thermique étroit avec au moins un conduit de chaleur (29) mettant en oeuvre le changement d'état dlun fluide, ce ou ces conduits de chaleur étant eux-mêmes refroidis par une circulation d'un fluide ou d'un liquide (F). 8.- Agencement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de supports métalliques (20) disposés les uns à la suite des autres et pourvus de conduits de chaleur (29) baignant dans un fluide de refroidissement (F), chaque support (20) comportant deux rangées parallèles de cellules photovoltaïques (21, 22) et chaque rangée étant transversale à la suite des supports et composée d'un seul type de cellules, tandis que deux supports consécutifs (20) sont disposés de façon que les cellules du type PN de l'un soit en regard des cellules du type NP de l'autre et soit électriquement reliées par leurs zones superficielles. 9.- Agencement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des interconnecteurs (26) entre les chaines de cellules en série.