Brevet FR2701786A1 — publié le 19940826

CELLULE PHOTOVOLTAIQUE, SON PROCEDE DE REALISATION ET PANNEAU SOLAIRE COMPORTANT DE TELLES CELLULES La présente invention se rapporte à une cellule photovoltaïque comprenant des moyens de protection contre l'accumulation de charges électrostatiques, à son procédé de réalisation et à un panneau solaire comportant de telles cellules. Une lame de verre de protection transparente est habituellement déposée sur les cellules photovoltaïques, notamment sur les cellules photovoltaïques pour usage spatial. Dans ce cas, la lame de verre est solidarisée avec la cellule photovoltaïque par un adhésif transparent ou, de préférence, par un film en polytétrafluoroéthyléne-éthylène fluoré propylène (PTFE-FEP) mince et transparent fixé à chaud en présence d'un champ électrique fort. La lame de verre et la couche de fixation forment une couche isolante susceptible d'accumuler des charges électrostatiques dont la décharge brusque au travers de la lame de verre et de la couche de fixation, notamment avec formation d'un arc électrique, risque de détruire la cellule photovoltaïque et/ou de perturber les équipements électroniques du satellite. L'on a donc été amené à mettre en oeuvre des dispositifs d'évacuation des charges électrostatiques pour des cellules photovoltaïques destinées à un usage spatial. Dans "Proceedings of European Space Power conference held in Madrid, Spain, 2-6 October 1989" (ESA SP-294, August 1989) J.W. KOCH décrit plusieurs types de tels dispositifs. Tout d'abord, il décrit une grille métallique connectée à la masse passant sur une pluralité de lames de verre de protection de cellules photovoltaïques. Ensuite, une autre solution décrite dans cet article concerne la connexion de la face externe de la lame de verre de protection à la cellule photovoltaïque par un adhésif transparent conducteur déposé sur au moins toute la surface externe de la lame de verre et/ou par un dépôt fin d'oxyde d'étain-indium (ITO en terminologie anglo-saxonne) sur toute la surface externe et les côtés de la cellule photovoltaïque. Des dépôts conducteurs sur la face interne de la lame de verre peuvent être limités à la proximité du dispositif de connexion. Dans tous les cas, les cellules photovoltaïques décrites par J.W. KOCH dans ESA SP-294, August 1989, comportent un adhésif transparent de fixation de la lame de verre de protection. Les deux exemples sont décrits de façon entièrement séparés et rien dans cet article ne décrit ni ne suggère la possibilité de la combinaison de ces deux exemples et, notamment, la mise en oeuvre d'une grille d'évacuation de charges électrostatiques disposée sur la face externe de la lame de verre de protection connectée aux dispositifs des collectes des charges photo-électriques produites par la cellule photovoltaïque. De plus, il faut noter que les cellules photovoltaïques décrites dans cet article sont destinées à être disposées sur le corps même d'un satellite scientifique subissant un éclairement solaire sensiblement constant pendant une durée de vie limitée. Un tel enseignement n'est pas applicable aux cellules photovoltaïques pour satellites géostationnaires subissant périodiquement des cycles thermiques auxquels ne résisterait pas un adhésif de fixation de la lame de verre de protection. Les cellules photovoltaïques mises en oeuvre pour les satellites scientifiques sont d'un prix de revient extrêmement élevé interdisant leur mise en oeuvre dans un satellite de télécommunication. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une cellule photovoltaïque susceptible de résister pendant de longues périodes à un environnement hostile, notamment à un usage spatial. Une telle cellule doit, entre autres, résister aux changements périodiques d'illumination ainsi qu'aux cycles thermiques qui en résultent et/ou à l'exposition au vent solaire générant des charges électrostatiques. C'est également un but de la présente invention d'offrir une telle cellule ayant un excellent rendement photovoltaïque. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir une cellule photovoltaïque ayant une puissance importante par unité de masse et/ou par unité de surface. C'est également un but de la présente invention d'offrir une telle cellule ayant un prix de revient modéré. Ces buts sont atteints par une cellule photovoltaïque comprenant un dispositif d'évacuation de charges électrostatiques efficace ayant une masse faible et ne masquant que très faiblement les rayonnements solaires incidents. Les dispositifs d'évacuation de charges comportent une grille en matériau conducteur transparent ou non sur la surface externe de la lame de verre de protection de la cellule photovoltaïque, ladite grille étant connectée à l'électrode de capture des charges de la cellule. Avantageusement, la grille du dispositif d'évacuation des charges électrostatiques est superposée à la grille de l'électrode recueillant les charges générées par la cellule photovoltaïque. L'invention a principalement pour objet une cellule photovoltaïque comprenant: - une plaquette photovoltaïque dont une première face principale porte une première électrode de collecte des charges, et une seconde face principale opposée à la première face principale porte une seconde électrode de collecte de charges - une lame de verre de protection solidarisée avec la plaquette photovoltaïque, caractérisée en ce qu'elle comporte - une grille, en matériau sensiblement transparent, d'éléments conducteurs d'évacuation des charges électrostatiques, déposée sur la face externe de la lame de verre de protection. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce que la grille sensiblement transparente d'éléments conducteurs d'évacuation des charges électrostatiques est réalisée en oxyde d'indium-étain (ITO). L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque comprenant: - une plaquette photovoltaïque dont une première face principale destinée à être exposée aux rayonnements solaires porte une grille d'éléments conducteurs formant une première électrode de collecte de charges, et une seconde face principale opposée à la première face principale porte une seconde électrode de collecte de charges - une lame de verre de protection solidarisée avec la plaquette photovoltaïque caractérisée en ce qu'elle comporte sur la face externe de la lame de verre de protection une grille d'évacuation des charges électrostatiques dont les éléments conducteurs sont superposés avec les éléments de la première électrode. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce que la grille d'évacuation des charges électrostatiques est déposée sur la face externe de la lame de verre de protection par évaporation sous vide. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce que la lame de verre de protection est solidarisée avec la plaquette photovoltaïque par un film en PTFE dont l'épaisseur est comprise entre 20 et 50 clam, de préférence entre 25 et 50 Rm. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de connexion de la grille d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce que les moyens de connexion de la grille d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode comportent un conducteur électrique s'étendant sensiblement sur toute la longueur du bord de la lame de verre de protection se trouvant au-dessus d'une barre omnibus de la première électrode. L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque, caractérisée en ce que les moyens de connexion de la grille d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode comportent un profilé en C tenant par élasticité sur un bord de la lame de verre de protection. L'invention a également pour objet un panneau solaire, notamment pour usage spatial, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de cellules photovoltaïques selon l'invention, connectées en série et/ou en parallèle. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque comprenant les étapes consistant à: a) déposer un film mince en PTFE entre une plaquette photovoltaïque et une lame de verre de protection b) appliquer un champ électrique intense pour plaquer la lame de verre contre la plaquette photovoltaïque c) chauffer l'ensemble à haute température, de préférence jusqu'au ramollissement de la lame de verre de protection, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à, antérieurement ou pendant l'étape a):: d) fixer un élément conducteur, notamment un profilé connecté à la grille d'évacuation des charges, sur un bord de la lame de verre de protection e) déposer de la soude sur le bord du film de PTFE, dont la température de fusion est inférieure ou égale à la température de chauffage de l'étape c) f) aligner l'élément conducteur connecté à la grille d'évacuation des charges électrostatiques et la soudure avec un élément de la première électrode, de la plaquette photovoltaïque, notamment avec une barre omnibus, de manière à ce que, lors de l'élévation de température de l'étape c), l'on assure simultanément la connexion de la grille d'évacuation des charges électrostatiques avec la première électrode et la solidarisation de la plaquette photovoltaïque avec la lame de verre de protection. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées données comme des exemples non limitatifs, et sur lesquelles - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une cellule photovoltaïque de type connu - la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'exemple préféré de réalisation d'une cellule selon la présente invention - la figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un détail de la cellule photovoltaïque de la figure 2 - la figure 4 est une vue en plan d'un panneau solaire selon la présente invention. Sur les figures 1 à 4, l'on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, l'on peut voir un exemple de plaquettes semiconductrices formant une cellule photovoltaïque 1 ayant la forme d'un parallélépipède rectangle de faible épaisseur comportant une première face principale 2 destinée à être illuminée par le rayonnement solaire, et une seconde face principale 3 opposée à la face 2. La cellule photovoltaïque 1 comporte une première région dopée avec une première polarité s'étendant de la première face principale 2 à une jonction PN située sensiblement à la moitié de l'épaisseur de la cellule photovoltaïque 1 et une deuxième région dopée avec une seconde polarité opposée à la première polarité s'étendant de la jonction PN jusqu'à la deuxième face principale 3 de la cellule photovoltaïque.Les faces principales 2 et 3 comportent des électrodes recueillant les porteurs de charges, entre lesquels s'établit une différence de potentiel lors de l'illumination de la face 2. Dans l'exemple illustré, la face principale 2 comporte une électrode 4 en peigne comprenant une barre omnibus 5 s'étendant sur essentiellement toute la longueur du grand côté de la face principale 2 et à laquelle sont connectés, à intervalles réguliers, des rubans linéaires 6 parallèles aux petits côtés de la cellule photovoltaïque. L'électrode 4 est métallique ou, avantageusement, est réalisée en un matériau sensiblement transparent comme l'oxyde d'étain-indium (ITO en terminologie anglo-saxonne). A l'opposé, une électrode métallique 7 (figure 3) recouvre sensiblement toute la surface de la seconde face principale 3. La cellule photoconductrice 1 est recouverte avec une lame de verre de protection 8 avantageusement fixée avec une feuille d'un film transparent 9 de polytétrafluoroéthylène-éthylène fluoré propylène (PTFE-FEP en terminologie anglo-saxonne) dont l'épaisseur est typiquement comprise entre 25 et 50 #m. La lame de verre de protection 8 est portée à haute température, par exemple à 300 C, à laquelle l'on observe le début de son ramollissement. L'on interpose le film 9 entre la lame de verre 8 et la cellule photovoltaïque 1. Avantageusement, un champ électrique intense engendre une force électrostatique attractive entre la cellule photovoltaïque 1 et la lame de verre de protection 8. L'on exerce également une pression mécanique pour appliquer la lame de verre de protection 8 contre la cellule photovoltaïque 1, et l'on laisse refroidir. Ce procédé confère une excellente stabilité et une excellente tenue dans le temps à l'assemblage de la lame de verre de protection 8 et de la cellule photovoltaïque. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre de films de fixation en PTFE ou PTFE-FEP. L'on peut, par exemple, mettre en oeuvre un film de fixation en élastomère aux silicones vulcanisables à température ambiante (RTV-adhesive en terminologie anglo-saxonne), ou comme décrit dans "Proceedings of the European Space Power Conference held in Madrid, Spain, 2-6 October 1989" (ESA SP-294, August 1989) appliquer directement les lames de verre contre les cellules photovoltaïques. Dans un tel cas, une fiabilité suffisante pour des applications spatiales n'a pu être obtenue qu'en portant à haute température et en soumettant à un champ électrique la superposition constituée par une lame de verre de protection appliquée sur une cellule photovoltaïque. Les meilleurs résultats ont été obtenus en appliquant une tension comprise entre 200 V et 400 V continus. Sur les figures 2 et 3, l'on peut voir une cellule photovoltaïque comprenant un dispositif d'évacuation de charges électrostatiques selon l'invention. Ce dispositif comporte sur la face externe de la lame de verre de protection 8, une grille 10 en peigne d'éléments conducteurs 11. La distance entre les éléments conducteurs 1 1 est suffisamment faible pour permettre une élimination efficace des charges électrostatiques pour ainsi éviter toute formation d'arcs électriques. Les éléments conducteurs sont soit métalliques, par exemple en aluminium ou en argent, soit, avantageusement, en oxyde d'étain-indium qui transmet 95 % du rayonnement visible incident. Les éléments conducteurs 11 sont avantageusement déposés par évaporation sous vide.Entre les éléments conducteurs 11, la lame de verre de protection 8 comporte des zones nues 12 qui ne subissent pas les pertes dues à la présence d'éléments conducteurs. De plus, l'absence des conducteurs permet de réduire, dans de faibles proportions, la masse de la cellule photovoltaïque. Avantageusement, la grille d'éléments conducteurs 11 de la face externe de la lame de verre de protection 8 se superpose avec la grille de l'électrode 4 de la première face principale de la cellule photovoltaïque 1. Ainsi, d'une part, les pertes par absorption de lumière, se situent au même endroit, ce qui permet d'augmenter la puissance électrique délivrée par la cellule photovoltaïque 1 et, d'autre part, l'on peut utiliser le même masque pour le dépôt par évaporation sous vide de l'électrode 4 et de la grille d'éléments conducteurs 11. Le dispositif d'évacuation des charges électrostatiques comporte avantageusement des moyens de connexion de la grille 10 d'éléments conducteurs 11 à l'électrode 4 évitant ainsi de devoir mettre en oeuvre un dispositif de connexion à la masse dédiée. Dans l'exemple illustré sur les figures 2 et 3, ce dispositif de connexion comporte un bourrelet ou un parallélépipède rectangle conducteur 13, par exemple en alliage d'étain placé entre la barre omnibus 5 de l'électrode 4 et un profilé métallique 14 en C entourant un bord de la lame de verre de protection 8. Avantageusement, le profilé 14 est fixé par élasticité sur le bord de la lame de verre de protection 8. Avantageusement, le profilé 14 est soudé à la barre omnibus 5 de l'électrode 4 par l'élévation de la température lors de la fixation de la lame de verre de protection 8 sur la cellule photovoltaïque 1. Sur la figure 4, l'on peut voir un panneau solaire 15, par exemple pour usage spatial comportant une pluralité de cellules photovoltaïques 1, selon l'invention, interconnectées en série et/ou en parallèle pour assurer l'alimentation électrique d'un satellite, par exemple d'un satellite de télécommunication. Les panneaux solaires selon la présente invention sont d'un prix de revient inférieur aux panneaux pour satellites de recherche scientifique et à une tenue dans le temps nettement améliorée, cette performance n'étant pas dégradée par des cycles d'illuminations et d'obscurités subies normalement par un satellite de télécommunication. Nous allons maintenant indiquer les rendements de quelques exemples de réalisation de cellules photovoltaïques selon la présente invention. L'oxyde d'indium-étain en couches minces transmet typiquement 95 % de la lumière solaire incidente. Exemple 1: grille 10 d'éléments métalliques 11 réfléchissante (métallique) transmission de lumière 0 %, surface couverte 3 à 4 % de la surface de la lame de verre de protection 8. Rendement obtenu : 96 à 97 %. Exemple 2 : grille 10 d'éléments 11 en oxyde d'indium-étain transparent 95 % couvrant 3 à 4 % de la surface externe de la lame de verre de protection 8. Puissance obtenue et comprise entre 99,8 % et 99,95 % de la puissance nominale de la cellule photovoltaïque sans protection contre l'électricité statique. Dans tous les cas, l'on obtient une diminution de la masse des panneaux solaires tout en obtenant une augmentation significative de la puissance électrique fournie. La présente invention s'applique à la réalisation de cellules photovoltaïques et de panneaux solaires. La présente invention s'applique principalement à la réalisation de cellules photovoltaïques et de panneaux solaires pour usage spatial. REVENDICATIONS 1. Cellule photovoltaïque comprenant - une plaquette photovoltaïque (1) dont une première face principale (2) porte une première électrode (4) de collecte des charges, et une seconde face principale (3) opposée à la première face principale (2) porte une seconde électrode (7) de collecte de charges - une lame de verre de protection (8) solidarisée avec la plaquette photovoltaïque (1), caractérisée en ce qu'elle comporte - une grille (10), en matériau sensiblement transparent, d'éléments conducteurs (11) d'évacuation des charges électrostatiques, déposée sur la face externe de la lame de verre de protection (8). 2. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la grille (10) sensiblement transparente d'éléments conducteurs (11) d'évacuation des charges électrostatiques est réalisée en oxyde d'indium-étain (ITO). 3. Cellule photovoltaïque comprenant: une plaquette photovoltaïque (1) dont une première face principale (2) destinée à être exposée aux rayonnements solaires porte une grille (4) d'éléments conducteurs (6) formant une première électrode de collecte de charges, et une seconde face principale (3) opposée à la première face principale (2) porte une seconde électrode (7) de collecte de charges - une lame de verre de protection (8) solidarisée avec la plaquette photovoltaïque (1); caractérisée en ce qu'elle comporte sur la face externe de la lame de verre de protection (8) une grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques dont les éléments conducteurs (11) sont superposés avec les éléments (6) de la première électrode (4). 4. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques est déposée sur la face externe de la lame de verre de protection (8) par évaporation sous vide. 5. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lame de verre de protection (8) est solidarisée avec la plaquette photovoltaïque (1) par un film en PTFE dont l'épaisseur est comprise entre 20 et 50 clam, de préférence entre 25 et 50 Rm. 6. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de connexion de la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode (4). 7. Cellule photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de connexion de la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode (4) comportent un conducteur électrique (14) s'étendant sensiblement sur toute la longueur du bord de la lame de verre de protection (8) se trouvant au-dessus d'une barre omnibus (5) de la première électrode (4). 8. Cellule photovoltaïque selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de connexion de la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques à la première électrode (4) comportent un profilé en C tenant par élasticité sur un bord de la lame de verre de protection (8). 9. Panneau solaire, notamment pour usage spatial, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de cellules photovoltaïques selon l'une quelconque des revendications précédentes, connectées en série et/ou en parallèle. 10. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque comprenant les étapes consistant à: a) déposer un film mince en PTFE entre une plaquette photovoltaïque (1) et une lame de verre de protection (8); b) appliquer un champ électrique intense pour plaquer la lame de verre contre la plaquette photovoltaïque (1); c) chauffer l'ensemble à haute température, de préférence jusqu'au ramollissement de la lame de verre de protection (8), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à, antérieurement ou pendant l'étape a) d) fixer un élément conducteur (14), notamment un profilé connecté à la grille (10) d'évacuation des charges, sur un bord de la lame de verre de protection (8); e) déposer de la soude sur le bord du film de PTFE (9), dont la température de fusion est inférieure ou égale à la température de chauffage de l'étape c); ; f) aligner l'élément conducteur (14) connecté à la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques et la soudure (13) avec un élément de la première électrode, de la plaquette photovoltaïque (1), notamment avec une barre omnibus (5), de manière à ce que, lors de l'élévation de température de l'étape c), l'on assure simultanément la connexion de la grille (10) d'évacuation des charges électrostatiques avec la première électrode (4) et la solidarisation de la plaquette photovoltaïque avec la lame de verre de protection (8).