Brevet FR2654260A1 — publié le 19910510

La presente invention concerne la télé-alimentation par une fibre optique d'un bloc électronique. Dans certains dispositifs, on souhaite télé-alimenter des composants électroniques sans transmission de oeuvrant électrique pour permettre de s'affranchir de divers parasites tels que la foudre ou des bruits électriques ou pour des raisons de sécurité, par exemple dans un milieu déflagrant. Pour atteindre cet objectif, on peut penser à transmettre vers une cellule photovoltaique placée dans le bloc électronique une énergie lumineuse par l'intermédiaire de fibres optiques. Toutefois, un inecnvenient d'un tel montage réside dans le fait qu'une cellule photovoltaique classique fournit, quand elle est éclairée, une tension de l'ordre de quelques dixièmes de volt, par exemple de 0,5 volt ce qui est insuffisant pour alimenter des composants électronique classiques tels que les circuits intégrés qui nécessitent généralement une tension de fonctionnement supérieure à 2 volts. Un autre problème qui se pose réside dans le fait que la technoloyie des cellules photovoltaïques entraîne que le ren deeent de conversion opto-électronique est actuellement au mieux de l'ordre de 15 à 16 % (cas de cellules à jonction PN dans du silicium monocristallin). Ainsi, il est important que les monta- des associés à oette conversion présentent un rendement maximal pour ne pas réduire encre cette valeur relativement faible du rendement théorique optimal. Pour résoudre ces problèmes ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un montage particulier de cellules permettant de fournir une tension multipliée par rapport à la tension d'une cellule et de présenter un rendement maximal. Ainsi, la présente invention prévoit un dispositif de conversion opto-électrique de l'énergie transmise par une fibre optique, utilisant des cellules photovoltaïques rectangulaires dont chacune est munie d'une métallisation de cathode sur sa face inférieure et d'une métallisation d'anode sur un bord de sa face supérieure, dans le sens de la largeur, comprenant huit cellules identiques connectées en série ; les quatre premières cellules étant disposées dans un premier plan, accolées deux à deux selon leur longueur selon une première ligne de séparation, et mises bout à bout selon une deuxième ligne de séparation perpedicu- laire à la première, leurs côtés portant les anodes étant opposés à la deuxième ligne ; les quatre autres cellules étant disposées dans un deuxième plan superpose au premier, accolées deux à deux selon leur longueur selon la deuxième ligne et placées symétri- queeent par rapport à la première ligne, leurs anodes étant oppo- sées à la première ligne, de sorte que chaque cellule du deuxieme plan avance sur la moitié de la largeur d'une cellule du premier plan. le faisceau de la fibre optique est dirige orthogonalement aux premier et deuxième plans, son axe passe par le centre de symétrie des huit cellules et il entasse une surface maximale de chaque cellule sans éclairer de zones externes aux cellules. selon un mode de réalisation de la présente invention, les cellules photovoltaïques sont des cellules en silicium mono- cristallin à jonction PN. selon un mode de réalisation de la présente invention, les quatre premières cellules sont dans un évidement d'un substrat, les quatre autres cellules reposant partiellement sur ce substrat et partiellement sur les quatre premières. Avec le montage décrit ci-dessus de huit cellules, on obtient une tension égale à sensiblement huit fois la tension d'une cellule et le rendement de conversion global est de l'ordre de 14 à 15 % si le rendement individuel d'une cellule était de l'ordre de 15 à 16 %. Ce résultat est obtenu essentiellement grace à un éclairement égal de chacune des cellules (même surface éclairée et même intensité par unité de surface). Ces objets, caraabéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation de la présente invention faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 est une vue en coupe rappelant la structure usuelle d'une diode photovoltaïque PN du annerce; les figures 2 et 3 sont respectivement une vue de dessus scmatique et une vue de côté en coupe schématique d'un montage selon la présente invention. La figure 1 représente de fagon schématique une diode PN photovoltaïque du ctrnsrce, l'épaisseur de cette diode étant considérablement dilatée par rapport aux autres dimensions. Cette diode photovoltaïque comprend un pavé rectangulaire de silicium 1 dans lequel est formee une jonction PIN.La surface inférieure de ce pavé, qui oonstituera la cathode de la diode est entièrement ruoouverte d'une métallisation 2 et une petite partie de la face supérieure de la plaquette, le long d'un petit côté de celle-ci, est recouverue d'une métallisation d'anode 3. les autres surfaces apparentes de la plaquette sont revêtues d'une couche isolante transparente, couramment une couche d'oxyde 4. Une telle cellule est commercialement disponible sous forme de pavés rectangulaires de la façon representée, par exemple avec une dimension de largeur de 2,5 millimètres, une dimension de longueur de l'ordre de 5 millimètres, et une dimension d'épaisseur de l'ordre de 0,5 millimètre. cette cellule, quand elle est éclairée par sa face supérieure (côté anode), fournit une differece de potentiel de l'ordre de 0,5 volt entre ses électrodes d'anode et de cathode 3 et 2. La puissance disponible entre les bores 2 et 3 est sensiblement proportionnelle à l'intensité lumineuse reçue sur la face d'anode. Le rapport entre l'énergie lumineuse reçue et l'énergie électrique fournie est de l'ordre de 15*. Pour augmenter la tension dispanible, on utilise clas siqueeent des dispositifs électroniques élévateurs de tension tels que des pompes à diodes, mais ceci complexifie le montage et augmente le coût de la source d'alimentation. Une autre idée consiste à utiliser plusieurs cellules montées mécaniquement en ligne. Néanmoins, dans le cas où l'éclairage provient d'une fibre optique unique, ces montages n'ont pas donné satisfaction et ont entraîné des pertes de rendement ieportantes. La présente invention se base sur l'observation du fait que les pertes de rendement peuvent être cnnsiderablement réduites si les diverses cellules mises électriquement en série sont éclairées exactement par la même intensité lumineuse. Dans ce but, la présente invention propose un montage tel que celui illustré très schematiquement en figures 2 et 3, la figure 3 étant une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. Ce montage comprend quatre cellules inférieures 11 à 14 et quatre cellules supérieures 15 à 18 comprenant chacune une borne d'anode apparente sur sa face supérieure, respectivement 21 à 28. les quatre cellules inférieures sont montées dans un même plan, par exemple, carme l'illustre la figure 3, dans un évidement ménagé dans un substrat 30, le fond de 1'évidement pouvant être muni de métallisations de contact de cathode. Ces cellules sont disposées en rectangle et définissent deux axes de symétrie 31 et 32. les anodes sont opposées au deuxième axe 32. les quatre cellules supérieures sont montées deux à deux de part et d'autre de l'axe 32, leurs anodes étant opposées par rapport à l'axe 31. Elle avancent sur les cellules inférieures de la moitié de la largeur de celles. On pourra aussi prévoir un deuxième évidement étage dans le substrat 30 pour positionner ces cellules. Cet ensemble est éclairé par une fibre optique 33 fournissant un faisceau 34 d'ouverture numérique donea, par exemple de l'ordre de 0,37. L'interctction entre oe faisceau et le plan des cellules (en négligeant l'épaisseur des cellules) est illustrée par un cercle 35. Selon une caractéristique importante de la présente invention, il résulte de la disposition des cellules 11 à 18 que, si le cercle de lumière 35 est tel que représenté, passant par les coins 41 à 44, la surface éclairée est la même pour chaque cellule 11 à 18. Des moyens non représentée, classiquement des métal- lisations ou des montages à fils d'or, permettent de connecteur en série toutes ces cellules, en reliant l'anode de chacune à la cathode de la suivante. Avec un tel montage, en utilisant des diodes photovol- taques ayant les dimensions indiquées à titre d'exemple en relation avec la figure 1, on a obtenu un rendement de conversion global entre l'énergie transmise par les fibres optiques et l'énergie électrique obtenue de l'ordre de 14 %. Ce rendement se dégrade très rapidement si le faisceau lumineux 34 est décentré par rapport à l'axe de symétrie du mon targe de cellules. Ce montage présente l'avantage de permettre l'utilisation directe et simple de cellules rectangulaires du commerce sans avoir à fabriquer specifiquement des cellules pour une application particuliére. La surface perdre par les jonctions entre les cellules peut être très faible, la distance entre les surfaces utiles de deux cellules bord à bord pouvant être de l'ordre du dixième de millimètre. La présente invention a été décrite dans le cadre de cellules photovoltaiques du type diode PN. Elle s'appliquera de façon similaire à d'autres diodes photovoltaïques existant commercialement et disponibles sous forme rectangulaire. Avec une ouverture numérique de l'ordre de 0,37 pour le faisceau 34, la distance entre l'extrémité de la fibre et le plan moyen des cellules sera de l'ordre de la douzaine de millimètres, ce qui permet l'obtention d'un montage particulièrement compact. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion opto-électrique de l'éner- gie transmise par une fibre optique, utilisant des cellules photovoltaïques rectangulaires dont chacune est munie d'une métallisation de cathode sur sa face inférieure et d'une métal- lisation d'anode sur un bord de sa face supérieure, dans le sens de la largeur, caractérisé en ce qu'il comprend huit cellules identiques (11-18) cxxrYxJbass en en série ; les quatre premières cellules (11-14) étant disposées dans un premier plan, accolées deux à deux selon leur longueur selon une première ligne de séparation (31), et mises bout à bout selon une deuxième ligne de séparation (32) perpendiculaire à la première, leurs côtes portant les anodes étant opposes à la deuxième ligne ; les quatre autres cellules (15-18) étant disposées dans un deuxième plan superposé au premier, accolées deux à deux selon leur longueur selon la deuxième ligne et placées symétriquement par rapport à la première ligne, leurs anodes étant opes à la première ligne, de sorte que chaque cellule du deuxième plan avance sur la moitié de la largeur d'une cellule du premier plan; et en ce que le faisceau (34) de la fibre optique (33) est dirigé orthogonale- ment aux premier et deuxième plans, en oe que son axe passe par le centre de symétrie des huit cellules et en oe qu'il embrasse une surface maximale de chaque cellule sans éclairer de zones externes aux cellules. 2. Dispositif de conversion optoélectrique selon la revendication 1, caraabrisé en oe que les cellules photovol- taïques sont des cellules en silicium monocristallin à jonction PN. 3. Dispositif de converison opto-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quatre premières cellules sont insérées dans un évidement d'un substrat (30), les quatre autres cellules reposant partiellement sur ce substrat et partiellement sur les quatre premières cellules.