Brevet FR2550385A1 — publié le 19850208

-1 MODULE SOLAIRE La présente invention concerne un module solaire et plus particulièrement une structure de module solaire et un matériau utilisé comme matériau adhésif ou de revêtement. La plupart des modules solaires classiques comportent des cellules de type cristallin telles que des cellules au silicone à cristal unique et des cellules au silicone à polycristaux Une étude détaillée des 10 techniques d'encapsulation disponibles, et des valeurs pour les modules solaires au silicone à plaque plate est présentée par exemple dans l'article "PhotovoltaicModule Encapsulation Design and Materials Selection; Volume 1 " de E Cuddihi W Carroll,C Coulbert,A Gupta 15 et R Liang, par Jet Propulsion Laboratory (JPL) (ler juin 1982) Quelques-unes de ces techniques sont applicables aux modules comprenant des cellules solaires du type à film mince mais la plupart ne le sont pas Par conséquent, il y a un besoin de développer une nouvelle 20 technique pour les modules comprenant des cellules solaires du type à film mince. -2 Dans le module classique, comprenant des cellules solaires du type cristallin, les éléments photovoltaîques et leurs connexions sont enrobés ou pris en sandwich dans des capsules constituées de matériaux tels que l'acétate de vinyléthylène (EVA), l'acrylate de méthyléthylène (EMA), des films en acrylique laminé, de l'acrylate de poly-n-butyle (In Ba), de l'uréthane de polyester aliphatique, de l'élastomère de silicone et du butyralpolyvinyle (PVB) Les capsules doivent être transparentes, 10 chimiquement stables, traitables, élastiques et disponibles dans le commerce Les capsules doivent avoir une isolation électrique et une résistance inhérente aux intempéries (conservation de la transparence et de l'intégrité mécanique) Cependant, les capsules énumérées ci-dessus 15 ne sont pas stables et se dégradent souvent par suite d'oxydation et d'hydrolyse. Dans la structure d'un module o les cellules de type cristallin sont enrobées dans une capsule ou prises en sandwich entre deux feuilles thermoplastiques 20 transparentes, la couche de plastique est épaisse, ce qui conduit à une oxydation facile profonde et une hydrolyse des plastiques et des éléments enrobés ou mis en sandwich quand la couche est directement exposée à l'oxygène et à l'eau ou à la vapeur d'eau. Dans le cas des cellules du type à film mince, les éléments photovoltaiques sont formés sur un substrat de petite surface, habituellement inférieure à 100 cm 2, parce qu'il est techniquement difficile de former un film mince de grande surface De telles cellules 30 sont revêtues d'une résine, par exemple, une résine époxy ou acrylique et sont utilisées comme petite source d'énergie pour des dispositifs tels que des montresbracelets, des jeux électroniques et des calculateurs de poche Quand on les utilise comme source d'énergie 35 importante, les cellules 'du type à film mince sont connectées en série ou en parallèle et ensuite enrobées -3 ou mises en sandwich entre des feuilles plastiques de la même façon que les cellules du type cristallin, comme décrit ci- dessus Les types de résines qui ont été utilisés comme capsules, matériaux adhésifs ou de revêtement sont EVA, EMA, les acryliques, l'uréthane polyester aliphatique, les élastomères de silicone, le PVB, les époxys, etc. La figure 1 est une vue en coupe d'un module solaire classique Les cellules solaires 1 sont connectées 10 par des fils de connexion 2 et sont enrobées dans un matériau d'encapsulation transparent 3 Les cellules solaires encapsulées sont mises en sandwich entre un verre renforcé supérieur 4 et un support de protection inférieur 5 Les cellules solaires sont constituées 15 par des tranches minces d'un silicone à cristal unique, et sont par conséquent épaisses Les fils de connexion 2 reliant chacun la face supérieure d'une cellule avec la face inférieure d'une autre cellule sont aussi massifs. Par conséquent l'épaisseur d'une encapsulation transparente 20 enrobant les cellules solaires 1 et les fils de connexion 2 ne peut pas être mince, mais a une épaisseur considérable A un stade initial, une encapsulation transparente a été faite en résine silicone thermodurcissable Mais récemment on a utilisé un thermoplastique tel que le 25 PVB et i'EVA Indépendamment du type de l'encapsulage, l'épaisseur de l'encapsulation est considérablement plus grande Du fait de la grande épaisseur et du manque de possibilité d'empêcher la pénétration de l'eau, l'eau s'infiltre dans le module solaire et dégrade 30 les cellules. Comme décrit ci-dessus, la structure classique des modules solaires est coûteuse et lourde Par conséquent, on souhaite développer une nouvelle structure de module solaire qui est simple à réaliser, de faible poids et peu coûteuse, mais qui présente des performances stables. -4 Un objet de la présente invention est de réaliser un module solaire peu coûteux, sûr, simple et léger. Ce résultat peut être atteint par un module solaire comprenant:une batterie de cellules solaires 5 constituée de plusieurs cellules solaires formées sur un substrat en verre en laissant dégagée une marge périphérique d'une largeur déterminée tout le long du pourtour du substrat; et une couche de résine enduite pour recouvrir la batterie de cellules solaires et 10 la marge périphérique du substrat Le module solaire peut en outre comprendre un support inférieur prévu sur la couche de résine pour protéger la batterie de cellules solaires quand la couche de résine est utilisée comme adhésif pour fixer le support. Les cellules solaires sont des cellules voltaïques du type à film mince telles que les cellules photovoltalques à silicone amorphe et des cellules photovoltalques de type Cd S/Cd Te La couche de résine peut être faite de n'importe quelle résine et par conséquent peut être 20 constituée de polyvinylbutyral (PVB) utilisé de façon classique Mais il est préférable d'utiliser comme matériau de couche de résine un polymère fluoré, dérivé du groupe constitué de l'alkylène perfluoré et des atomes d'hydrogène actifs. Grâce à la structure selon laquelle une marge périphérique le long du pourtour du substrat de verre est prévue et revêtue de la couche de résine, les cellules solaires sont complètement isolées de l'environnement de façon à être protégées de l'eau et de la vapeur 30 d'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée à titre non limitatif en regard des dessins ci-joints et qui fera bien comprendre comment l'invention 35 peut être réalisée. Sur les dessins: La figure 1 est une vue en coupe schématique représentant une structure de module solaire classique; La figure 2 est une vue en coupe schématique représentant une forme de réalisation d'un module solaire selon la présente invention; La figure 3 est une vue en plan schématique de la forme de réalisation de la figure 2; et La figure 4 est une vue en coupe schématique 10 représentant une autre forme de réalisation d'un module solaire conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe schématique représentant un exemple d'un module solaire de l'invention, et la figure 3 est une vue en plan schématique de cet 15 exemple. En se référant aux figures 2 et 3, une batterie 1 de cellules solaires qui comporte plusieurs cellules photovoltaiques (solaires) est directement formée sur un substrat de verre 6 à l'exception d'une marge périphé20 rique 20 le long du pourtour du substrat de verre 6. Un support 7 est fixé aux surfaces inférieures des cellules solaires 1 avec une couche de résine 10 de façon à recouvrir la batterie de cellules solaires 1 et la marge périphérique 20 du substrat de verre 25 6 La batterie de cellules solaires 1 est représentée sous forme très simplifiée, mais comprend en réalité plusieurs cellules solaires connectées en série ou en parallèle La référence 2 désigne les fils de connexion pour sortir l'énergie. Par exemple, chacune des cellules solaires est produite de la façon suivante: d'abord une couche Cd S est formée sur une surface d'-un substrat en verre borosilicate (le substrat de verre 6) qui ne contient aucun alcali Dans cette étape, une partie disposée 35 le long de la périphérie de la surface du substrat en verre 6 (la marge périphérique 20) est laissée non traitée par la couche Cd S La surface du substrat de verre 6 est par exemple 900 cm Ensuite, une couche Cd Te est formée sur une partie de la couche Cd S, et une couche C est formée sur la couche Cd Te Ensuite, une couche Ag est formée sur la couche C pour constituer une électrode positive et une électrode Ag-In est formée sur la partie restante de la couche Cd S En procédant ainsi, on forme une cellule solaire type Cd S/Cd Te. 10 Une description plus détaillée de la batterie 1 de cellules Solaires est représentée par exemple, dans les demandes de brevet japonais publiées 57-13776 et 5818971, ou dans les actes de la 16 ème Conférence IEE spécialisée en photovoltalque en 1982 (IEEE New York 15 1982) page 801 par H Uda et autres. La batterie de cellules solaires doit être une batterie de cellules solaires du type à film mince constituée de cellules telles que des cellules à silicone amorphe et des cellules solaires à semi-conducteurs 20 composés du groupe II-VI (par exemple cellules solaires Cd S/Cd Te)-. La couche de résine 10 peut être soit du PYB, soit un polymère fluoré dérivé d'un composé choisi dans le groupe constitué par les composés contenant 25 le groupe alkylène perfluoré et les atomes d'hydrogène actifs Les composés contenant un groupe alkylène perfluoré et des atomes d'hydrogène actifs sont disponibles dans le commerce sous la marque Lumiflon de la société Asahi Glass Company, Ltd Plusieurs qualités de Lumiflons 30 telles que LF 100 C, LF 200 C, LF 300 C, LF 302 C et LF 400 C sont disponibles dans le commerce. Les agents de vulcanisation de ces composés sont la mélamine ou la méthylmélamine, ou des composés contenant des groupes isocyanate qui sont vendus sous la marque "Coronate EH" et "Coronate 2507 " de la société -7 Japan Polyurethane Industrial Co, Ltd Le "Coronate EH" est un trimère d'hexaméthylènediisocyanate. Le support 7 est constitué d'un film d'aluminium revêtu de résine ou d'un composé feuilleté d'un film 5 Tedlar, d'un film d'aluminium et d'un film Tedlar qui sont laminés dans l'ordre indiqué Le support 7 est prévu pour protéger les cellules solaires 1 Dans certaines applications du module solaire, il n'est pas toujours nécessaire de prévoir le support 7. La figure 4 représente un exemple de structure de module solaire selon l'invention dans lequel il n'y a pas de support inférieur Dans le cas de la structure de la figure 4, l'épaisseur de la couche de résine 10 peut être supérieure à celle de l'exemple de la 15 figure 2 En outre, le module solaire de la figure 4 ne peut pas être utilisé seul en extérieur, mais il doit être utilisé avec certaines protections particulières contre la pénétration de l'eau. Dans les deux formes de réalisation des figures 20 2 et 4, la largeur de la marge périphérique 20 entre le bord de la batterie de cellules solaires 1 et le bord du substrat de verre 6 est de préférence au moins 5 mm de façon que l'eau ne puisse pas pénétrer jusqu'au bord de la batterie de cellules solaires à travers 25 la couche de résine 10 La marge 20 d'au moins 5 mm à la périphérie du substrat de verre 6 est aussi utile quand le module solaire est supporté sur un certain organe de support qui peut maintenir le module solaire par les marges périphériques 20. La perte spatiale de la surface effective de la batterie de cellules solaires due à la marge périphérique n'est pas un problème parce que la surface de la marge périphérique est négligeable par rapport à la surface totale du substrat de verre. En se référant encore à la figure 2, le support -8 2550385 inférieur 7 empêche la pénétration de l'eau à partir de la surface inférieure de la batterie de cellules solaires 1, de sorte que l'épaisseur de la couche de résine, ou de la couche adhésive 10 peut être réduite. 5 En pensant à l'infiltration de l'eau à partir du côté du module solaire par l'intervalle situé entre le substrat de verre 6 et le support inférieur 7, la distance entre le substrat de verre 6 et le support inférieur 7, ou l'épaisseur de la couche de résine 10 peut être réduite 10 autant que possible D'un autre côté, les cellules solaires du type à film mince comportant des connexions entre elles sont formées par les techniques de réalisation de films minces, telles que l'évaporation sous vide et l'impression à l'écran, au moyen desquels les inégali15 tés de surface de la batterie de cellules solaires peuvent être très petites (usuellement inférieures à 100 "m) Ces petites inégalités peuvent être nivelées par une petite quantité de résine Par conséquent, l'épaisseur de la couche de résine 10 peut être très 20 réduite, ce qui est avantageux pour réduire les dimensions du module solaire. L'invention va être expliquée maintenant au moyen de plusieurs exemples. EXEMPLE 1 Une batterie de cellules photovoltalques de type Cd S/Cd Te a été formée sur un substrat de verre de 30 cm x 30 cm = 900 cm 2, en laissant une marge périphérique le long du bord du substrat de verre Un film d'aluminium revêtu de résine, comme support inférieur 30 a été collé à la batterie de cellules photovoltaiques avec un PVB d'une épaisseur de 0,38 mm comme couche adhésive, ou comme couche de résine, par chauffage sous pression, Ainsi, un module solaire ayant une construction telle que celle représentée sur la figure 35 2 a été obtenue avec une épaisseur de couche adhésive -9- inférieure à 0,1 mm De cette façon, on plusieurs échantillons qui différaient par de la marge périphérique et l'épaisseur de adhésive. a fabriqué la largeur la couche Ainsi, on a obtenu un échantillon ayant une structure telle que celle représentée sur la figure 4 Les échantillons de module solaire ainsi obtenus ont été trempés dans de l'eau bouillante ( 100 C) pendant 24 heures et ensuite dans l'eau glacée ( O OC) pendant 10 24 heures Ensuite, les échantillons ont été vérifiés pour l'aspect et les modifications de propriétés voltaîques tels que la tension en circuit ouvert, le courant de court-circuit et la puissance débitée Les résultats des essais sont indiqués sur le tableau 1. 15 TABLEAU 1 30 Echantillon type Largeur de Epaisseur Modification no dadhésif la marge de la couche En Popériphérique périphérique prietes (amn) En appa poo (mm) (mmn) photorence voltaiques (%) * 1 6,5 Côté du 2 3,0 3 3,0 0,38 -22 4 6,5 0,38 -14 PVB enle5 (Echantillon 6,,2 ve > O sans support) 1,52 _ _ _ _ _ _ _ _ 6 _ _ _ _ I _ _ _ _t_ _ _ _ ->s O___ _ _ _ * Erreur de mesure: inférieure a + 3 %. -10 2 2550385 Comme on peut le voir sur le tableau 1, l'échantillon ayant la structure de la figure 2 et une marge périphérique d'une largeur de 6,5 mm ne présente que peu de modifications des propriétés photovoltaïques. EXEMPLE 2 Une batterie de cellules photovoltaiques du type Cd S/Cd Te a été formée sur un substrat de verre en laissant une marge périphérique d'une largeur de 5 mm le long de la périphérie du substrat de verre. Ensuite, un mélange de 100 parties de LF 302 C et 20 parties de Coronate EH a été enduit sur la batterie de cellules photovoltaïques et la marge périphérique du substrat de verre, et vulcanisé à 120 C pendant 20 minutes, pour former ainsi la couche de résine. 15 De cette façon, on a obtenu un module solaire ayant une structure telle que celle de la figure 4 De cette façon, on a réalisé d'autres échantillons en utilisant différents matériaux pour la couche de résine Les échantillons de module solaire ainsi obtenus ont été 20 exposés pendant 1 000 heures à une température de 80 C sous une humidité relative de 95 % Ensuite, les échantillons ont été vérifiés pour l'aspect et les modifications de propriétés photovoltaïques Les résultats d'essai sont donnés sur le tableau 2. TABLEAU 2 35 } Echantillon Matériau de revêtement Modification En l En apparence En propriétés l__ _ jphotovoltaiques 1 Lumiflon W et Pas de modi 3 Coronate(R) EH fication 2 Hi-Urethan R Pas de modi | N 5000 (* 1) |fication 3 (* 2) Pas de modi; e 1 gan fication -40 -11- 15 Echantillon Matériau de revêtement Modification n En apparence En propriétés phdtovoltalques KE-109 Aet Pas de modi4 -30 KE-109 B (* 3) fication INWF82 (* 4) Pas de modi 21 :f fication 6 XM-1883 et Pas de modiX 6 'H-1884 (* 5) fication -27 CE-30 et Pas de modiXY-1933 (* 5) fication t ________ i t I 8 8300 X-4 (* 6) Pas de modi 10 it -1 fication (-6 13) Echantillon Luiflon et Pas de modi de l'exemple Pa d O ( 7 miflon i -4 de l'exemple: I 1000 (* 7) i fication TIII * 1 Résine uréthane vendue par Nippon Oil & Fats Co,Ltd. * 2 Résine silicone élastomère vendue par Dow Corning Co., Ltd. * 3 Résine silicone transparente vendue par SHIN-ETSU Chemical Industry Co, Ltd. * 4 Résine époxy verte vendue par Izumi Kasei Co, Ltd. * 5 Résine époxy transparente vendue par Nippon Peinox Corporation * 6 Résine époxy vendue par Nitto Electric Industrial 30 Co, Ltd. * 7 Résine phénol type résol vendue par Matsushita Electric Works, Ltd. Comme on peut le voir sur le tableau 2, I'échantillon dans lequel le mélange de LF 302 C et de Coronate EH a été utilisé comme matériau de revêtement ne présentait -12 2550385 -12 que peu de modifications en propriétés photovoltaîques. Bien que les résultats de test n'en soient pas indiqués, les mélanges des autres qualités de Lumiflons et des Coronates vulcanisés dans d'autres conditions, 5 comme 800 C pendant 60 minutes, 100 C pendant 20 à 80 minutes et 120 C pendant 20 minutes présentaient des résultats similaires. EXEMPLE 3 Un module solaire ayant la même structure que 10 celui de l'échantillon n l dans l'exemple 2, avec la différence que l'on a utilisé 100 parties de résine phénol type résol au lieu de 20 parties de Coronate EH, a été obtenu et essayé de la même façon que dans l'exemple 2 Le résultat est donné -sur le tableau 2, 15 qui présente une performance supérieure similaire à celle de l'échantillon n l. EXEMPLE 4 Un module solaire ayant une structure telle que celle représentée sur la figure 2 a été obtenu 20 de la même façon que dans l'exemple 1, avec la différence qu'un mélange de 100 parties de LF 302 C et 20 parties de Coronate EH a été utilisé comme couche adhésive, et le mélange a été vulcanisé à 120 C pendant 20 minutes. D'autres échantillons ont été obtenus en utilisant 25 d'autres matériaux pour la couche adhésive Les échantillons ainsi obtenus ont été trempés dans l'eau bouillante ( 100 C) pendant 36 heures et ensuite dans une eau glacée ( O OC) pendant 36 heures Après quoi, les échantillons ont été vérifiés pour l'apparence et les modifications 30 des propriétés photovoltaiques Les résultats des essais sont indiqués sur le tableau 3. -13 2550385 TABLEAU 3 15 Echan Type Largeur de Epaisseur Modification tillon d'adhésif la marge de la cou En apparen En pron périphéri che adhési pro ne ' -' ve ( ' I ce prietes que (mm) ve (mm) photovol. talques I (%) Lumifl n(-) Pas de moe et 6,5 ( 0,1 Pasdemo O dification Coronate ÀEH Pas de mo2 8300 X-4 6,5 t_______ Iramolli. Comme on peut le voir sur le tableau 3, l'échantillon utilisant le mélange de LF 302 C et de Coronate EH comme couche adhésive ne présente presque pas de 20 modifications dans ses propriétés photovoltaïques. Les mêmes expériences ont été effectuées en appliquant d'autres conditions de vulcanisation comme 800 C pendant 60 minutes, 100 C pendant 40 minutes et 120 C pendant 20 minutes Mais on a constaté que les 25 conditions de vulcanisation n'affectaient pas les performances des modules solaires. En outre, les modules solaires référencés comme échantillons n 1 sur les exemples 1, 2 et 4 et dans l'exemple 3 ont été placés au sommet d'un toit pendant 30 une année pour un test de durée de vie, mais aucune dégradation dans leurs propriétés photovoltaïques et aucune modification dans leur apparence n'ont été constatées. Les exemples et formes de réalisation ci-dessus 35 ont été décrits pour une meilleure compréhension de -14 la présente invention, mais sans en limiter la portée. Par conséquent, il est bien entendu que divers changements et modifications, notamment par substitution d'équivalents techniques, peuvent être faits sans sortir du cadre 5 de la présente invention, tel qu'il est défini par les revendications ci-annexées - -15 2550385 REVENDICATIONS 1 Module solaire comprenant: un substrat en verre ( 6); une batterie de cellules solaires ( 1)constituée 5 de plusieurs cellules solaires du type à film mince, formée sur ledit substrat en verre en laissant dégagée une marge périphérique ( 20) tout le long du bord dudit substrat en verre; et une couche de résine ( 10)enduite sur la batterie 10 de cellules solaires et ladite marge périphérique du substrat de verre. 2 Module solaire selon la revendication 1, dans lequel les cellules solaires du type film mince sont des cellules solaires à silicone amorphe. 3 Module solaire selon la revendication 1, dans lequel les cellules solaires du type à film mince sont des cellules solaires à semiconducteur composé du groupe II-VI. 4 Module solaire selon la revendication 1, 20 dans lequel la couche de résine est un polymère fluoré dérivé du groupe constitué par le groupe alkylène perfluoré et les atomes d'hydrogène actifs. Module solaire selon la revendication 1, dans lequel la largeur de la marge périphérique sur 25 le substrat de verre est d'au moins 5 mm. 6 Module solaire comprenant: un substrat de verre ( 6); une batterie de cellules solaires ( 1)constituée de plusieurs cellules solaires type à film mince, formée 30 sur le substrat de verre en laissant une marge périphérique ( 20) tout le long du pourtour du substrat de verre; une couche de résine ( 10)enduite sur la batterie de cellules solaires et sur la marge périphérique du substrat de verre et un support inférieur ( 7) collé à la couche -16 de résine par l'adhérence de ladite couche de résine pour recouvrir la batterie de cellules solaires et la marge périphérique dudit substrat. 7 Module solaire selon la revendication 6, dans lequel les cellules solaires ( 1) du type à film mince sont des cellules à silicone amorphe. 8 Module solaire selon la revendication 6 dans lequel les cellules solaires ( 1) du type à film mince sont des cellules solaires à semi-conducteur compo10 sé du groupe IIL-VI. 9 Module solaire selon la revendication 6, dans lequel les cellules solaires ( 1) semi-conducteur composé du groupe II-VI sont des cellules solaires Cd S/Cd Te. 10 Module solaire selon la revendication 6 dans lequel la couche de résine(l O)est du polyvinylbutyral. 11 Module solaire selon la revendication 6, dans lequel le support inférieur ( 7) est un film d'aluminium revêtu de résine. 12 Module solaire selon la revendication 6, dans lequel le support inférieur ( 7) est un laminé multicouches constitué d'un film Tedlar, d'un film d'aluminium formé sur ledit film Tedlar et d'un autre film Tedlar formé sur le film d'aluminium. 13 Module solaire selon la revendication 6, dans lequel la largeur de la marge périphérique ( 20) du substrat de verre est d'au moins 5 mm. 14 Module solaire comprenant: un substrat de verre ( 6); une batterie de cellules solaires ( 1) constituée de plusieurs cellules solaires du type film mince, formé sur le substrat de verre en laissant une marge périphérique ( 20) tout le long du bord dudit substrat de verre; une couche de résine ( 10)enduite sur la batterie -17 2 2550335 -17 de cellules solaires et sur ladite marge périphérique du substrat de verre cette couche de résine étant un polymère fluoré dérivé du groupe constitué par le groupe alkylène perfluoré et les atomes d'hydrogène actifs; et un support inférieur ( 7) collé à la couche de résine par l'adhérence de cette couche de résine pour recouvrir la batterie de cellules solaires et la marge périphérique du substrat. 15 Module solaire selon la revendication 14, dans lequel la largeur de la marge périphérique ( 20) du substrat de verre est d'au moins 5 mm. 16 Module solaire selon la revendication 15, dans lequel le support inférieur ( 7) est une couche d'alu15 minium revêtue de résine. 17 Module solaire selon la revendication 16, dans lequel les cellules solaires ( 1) du type à film mince sont des cellules solaires silicone amorphe. 18 Module solaire selon la revendication 16 20 dans lequel les cellules solaires ( 1) du type à film mince sont des cellules solaires à semiconducteur composé du groupe II-VI. 19 Module solaire selon la revendication 18, dans lequel les cellules solaires ( 1) sont des cellules 25 Cd S/Cd Te.