Brevet FR2894387A1 — publié le 20070608

DISPOSITIF DE CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE À TRANSMITTANCE LIMITÉE POUR FORTE IRRIADANCE SPECTRALE L'invention concerne les dispositifs de conversion photovoltaïque. On entend ici par dispositif de conversion photovoltaïque , un dispositif comprenant, d'une part, au moins une cellule photovoltaïque comportant au moins un élément semiconducteur chargé de convertir une partie du rayonnement incident qu'il reçoit en courant électrique et comportant io une face inférieure munie d'une couche conductrice et une face supérieure munie d'une grille de collection des porteurs générés lors de la conversion, et d'autre part, au moins un écran en verre, par exemple de type coverglass , placé au-dessus de la cellule afin de la protéger contre les radiations et d'assurer une émissivité correcte. 15 Dans certaines conditions d'utilisation, les dispositifs photovoltaïques reçoivent un rayonnement incident très important qui induit au niveau de chacune de leurs cellules photovoltaïques un échauffement important, ainsi qu'une saturation du régime d'injection des porteurs au sein de la structure photovoltaïque ( i.e. mono ou multi jonctions). C'est notamment le cas 20 lorsqu'ils sont soumis à une concentration de flux solaire importante, typiquement supérieure à trois (x3), dans le cadre d'applications terrestres, aéronautiques ou spatiales, ou bien lorsqu'ils sont orientés vers un astre émettant un rayonnement et placés à une faible distance de ce dernier, comme par exemple dans le cadre de missions solaires. 25 Comme le sait l'homme de l'art, cet important échauffement induit une chute du rendement de conversion photovoltaïque des éléments semiconducteurs, par exemple d'environ 20% à environ 5% dans le cas du silicium et pour une température variant de 25 C à 300 C. Pour remédier à cet inconvénient, au moins deux solutions ont été 30 proposées. La première solution consiste à incliner la surface photovoltaïque de manière à réduire le flux de rayonnement incident. Cette solution nécessite un support particulier qui augmente sensiblement le poids et n'offre aucune 2 2894387 sélectivité en fonction de la longueur d'onde. La deuxième solution consiste à entourer chaque cellule photovoltaïque de réflecteurs optiques, de type OSR ( Optical Solar Reflector ), placés sur des éléments thermiquement conducteurs, de 5 manière à capter une partie des calories qui diffusent en provenance des cellules photovoltaïques. Une troisième solution consiste à combiner les des deux premières solutions, lorsque le ratio de surface entre la cellule et I'OSR nécessite de réduire davantage la plage de température en inclinant la surface par rapport io au flux incident. Ces trois solutions introduisent d'importants gradients de température dans le plan de la surface et perpendiculairement à ce plan, nécessitent un support particulier qui augmente sensiblement le poids, et n'offrent aucune sélectivité en fonction de la longueur d'onde. En outre, dans le cas de la 15 seconde solution et pour un encombrement constant, le rendement de conversion du dispositif est réduit du fait que la place qui était auparavant occupée par certaines cellules photovoltaïques est maintenant occupée par les réflecteurs optiques. Par ailleurs, en cas de dégradation des performances de pointage de 20 l'angle incident, il peut survenir une baisse de performance combinée à une destruction du dispositif de conversion photovoltaïque pour des raisons thermique et/ou électrique. Aucune solution connue n'apportant une entière satisfaction en termes de masse et de coût pour une performance donnée, et/ou en terme de 25 maintien des performances, l'invention a donc pour but d'améliorer la situation. Elle propose à cet effet un dispositif de conversion photovoltaïque, destiné à être utilisé notamment sous une forte irradiance spectrale, c'est-à-dire au-delà de son domaine d'utilisation initialement prévu ou de ses 30 conditions de conception initialement prévues, et comprenant au moins, d'une part, une cellule photovoltaïque comportant une face inférieure munie d'une couche conductrice et une face supérieure munie d'une grille de collection de porteurs, et d'autre part, au moins un écran protecteur en verre placé au- 3 2894387 dessus de la cellule. Ce dispositif de conversion photovoltaïque se caractérise par le fait qu'il comprend des moyens de limitation chargés, lorsque le dispositif est placé sous un fort rayonnement incident (de spectre connu), de limiter l'accès s à la cellule d'une partie de ce rayonnement incident, afin de réduire son échauffement thermique. Il est important de noter que l'on fait ici l'hypothèse que les matériaux utilisés présentent une caractéristique de forte émissivité évitant d'inhiber les conséquences d'une faible absorption. lo Le dispositif selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : ses moyens de limitation peuvent être agencés sous la forme d'au moins une structure en couche(s) semi réfléchissante placée sur le chemin de propagation du rayonnement, entre l'espace et la face supérieure de la 15 cellule, et chargée de réfléchir vers l'espace au moins une partie choisie d'une portion du rayonnement incident n'intervenant pas dans la conversion photovoltaïque ; - la structure en couche(s) peut par exemple être solidarisée à une face supérieure de l'écran protecteur, opposée à la face supérieure de la 20 cellule. Dans ce cas, l'écran protecteur comprend une face inférieure orientée vers la face supérieure de la cellule et solidarisée à celle-ci, par exemple au moyen d'une colle transparente à une partie au moins du rayonnement incident ou de tout autre dispositif de fixation ou de maintien ; 25 > dans une première variante la structure en couche(s) peut par exemple être solidarisée à une face inférieure de l'écran protecteur, orientée vers la face supérieure de la cellule, et comprend une face inférieure orientée vers la face supérieure de la cellule et solidarisée à celle-ci, par exemple au moyen d'une colle transparente à une partie au moins du 30 rayonnement incident ou de tout autre dispositif de fixation ou de maintien ; - dans une seconde variante la structure en couche(s) peut par exemple être définie sur la face supérieure de la cellule dans l'espace situé entre 4 2894387 des éléments de collection de la grille de collection ; - la structure en couche(s) peut par exemple comprendre une couche d'oxyde(s) métallique(s) d'épaisseur choisie en fonction des longueurs d'onde de la partie choisie du rayonnement incident à réfléchir vers 5 l'espace ; - la structure en couche(s) peut par exemple comprendre au moins deux couches d'oxyde(s) métallique(s) d'épaisseurs respectives choisies en fonction des longueurs d'onde de la partie choisie du rayonnement incident à réfléchir vers l'espace ; lo - ses moyens de limitation peuvent être constitués par la grille de collection, celle-ci comportant des éléments de collection connectés les uns aux autres et présentant une surface totale de recouvrement de la face supérieure de la cellule choisie de manière à être égale à une fraction choisie de la surface de cette face supérieure. 15 L'invention est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non exclusive, aux générateurs électriques, photodétecteurs, senseurs solaires ou stellaires, et concentrateurs utilisés dans les applications terrestres aéronautiques et dans les missions spatiales. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à 20 l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre de façon très schématique un premier exemple de réalisation d'un dispositif de conversion photovoltaïque selon l'invention, - la figure 2 illustre de façon très schématique un deuxième exemple de 25 réalisation d'un dispositif de conversion photovoltaïque selon l'invention, - la figure 3 illustre de façon très schématique un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de conversion photovoltaïque selon l'invention, et la figure 4 illustre de façon très schématique un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif de conversion photovoltaïque selon l'invention. 30 Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. L'invention a pour objet de permettre la limitation de l'échauffement 5 2894387 des cellules photovoltaïques d'un dispositif de conversion photovoltaïque en présence d'un rayonnement incident (ou forte irradiance spectrale) important, voire très important. L'un des ses intérêts réside plus particulièrement dans la possibilité de faire fonctionner la structure photovoltaïque dans un régime plus 5 habituel d'injection des porteurs dans la (les) jonction(s). Dans ce qui suit on considère que le dispositif de conversion photovoltaïque ne comprend qu'une unique cellule photovoltaïque afin de simplifier sa description. Mais, habituellement un tel dispositif comprend de nombreuses cellules photovoltaïques connectées les unes aux autres en série ou par groupes. On considère par ailleurs, à titre purement illustratif, qu'il fait partie d'un générateur électrique. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire un premier exemple de réalisation d'un dispositif de conversion photovoltaïque selon l'invention. Un dispositif selon l'invention D comprend au moins une cellule photovoltaïque CP, de type classique, et au moins un écran protecteur en verre EP placé au-dessus d'une face dite supérieure FSC de la cellule CP, par exemple de type coverglass . Dans ce qui suit, on désigne par supérieure une face orientée vers le flux spectral incident et par inférieure une face orientée de façon opposée à une face supérieure. Par ailleurs, on entend ici par cellule photovoltaïque CP un ensemble constitué d'un matériau de conversion MC, chargé de convertir un rayonnement incident provenant de l'espace et de spectre connu (flèche F1) en un courant de porteurs (électrique), d'une couche conductrice CC, solidarisée à une face inférieure dudit matériau de conversion MC et connectée à un connecteur inférieur CNI, et d'une grille de collection de porteurs G, solidarisée à une face supérieure FSC du matériau de conversion MC et chargée de collecter les porteurs générés par le matériau de conversion MC lors de la conversion photoélectrique. Le matériau de conversion MC peut par exemple être Si, GaAs, InP ou CdTe, ou bien toute combinaison d'au moins deux des matériaux précédents ou de matériaux à forte susceptibilité photovoltaïque. 6 2894387 La grille G est généralement constituée d'éléments de collection de porteurs EG, de forme longitudinale, sensiblement parallèles les uns aux autres et connectés en parallèle à un connecteur supérieur CNS. Il est important de noter que le matériau de conversion MC présente s une réponse spectrale connue. En d'autres termes, il ne peut convertir qu'une partie du rayonnement incident dont les longueurs d'onde sont comprises dans un intervalle connu. La partie complémentaire du rayonnement incident, dont les longueurs d'onde sont situées à l'extérieur de cet intervalle de conversion, ne peut donc pas être utilisée pour produire des porteurs, et donc io elle ne contribue qu'à l'échauffement de la cellule photovoltaïque CP posée sur son support. Selon l'invention, le dispositif D comprend également des moyens de limitation SC ou EG qui sont chargés, lorsqu'il est placé sous un fort rayonnement incident (de spectre connu), de limiter l'accès d'une partie de ce 15 rayonnement incident à la cellule CP (ce qui revient à limiter la transmittance du dispositif D), afin de réduire son échauffement thermique. Ces moyens de limitation peuvent par exemple être agencés sous la forme d'au moins une structure en couche(s) semi réfléchissante SC placée sur le chemin de propagation du rayonnement incident (flèche FI) entre 20 l'espace et la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP. Cette structure SC, qui est illustrée schématiquement sur les figures 1 à 3, est chargée de réfléchir vers l'espace (flèche F2) au moins une partie choisie de la partie complémentaire du rayonnement incident qui n'intervient pas dans la conversion photovoltaïque. Par conséquent, elle est chargée de laisser passer 25 vers le matériau de conversion MC (flèche F3) une partie au moins de la partie du rayonnement incident qui est utilisable pour la conversion photovoltaïque (et dont les longueurs d'onde sont comprises dans l'intervalle de conversion). Ainsi, le rayonnement réfléchit ne contribue plus à l'échauffement de 30 la cellule photovoltaïque CP. Il est important de noter, bien que cela n'apparaisse pas sur les figures 1 à 3, que la structure SC comprend une ou plusieurs couches semi réfléchissantes. Chaque couche est par exemple réalisée par dépôt (éventuellement sous vide) d'oxydes métalliques, comme par exemple ZnO, AI203, Ta205 ou SiO2. Le type de matériau utilisé et l'épaisseur de chaque couche, ainsi qu'éventuellement le nombre de couches, sont choisis en fonction des longueurs d'onde du rayonnement qui doivent être réfléchies vers l'espace (flèche F2) et des longueurs d'onde du rayonnement qui doivent être transmises à la cellule photovoltaïque CP (flèche F3). Ce choix se fait par analyse spectrale du rayonnement incident prévu et de la réponse spectrale de la cellule photovoltaïque CP compte tenu de ce rayonnement incident prévu. Il permet d'optimiser le bilan énergétique optique en fonction de la io réponse spectrale de la cellule photovoltaïque CP. La structure multicouches peut par exemple constituer un filtre optique ou un réflecteur de Bragg distribué (de type DBR pour Distributed Bragg Reflector ). Les types et épaisseurs respectifs des couches de matériau(x) sont 15 déterminés par modélisation en fonction des caractéristiques du flux incident ainsi que de la réponse spectrale de la structure photovoltaïque. Les épaisseurs peuvent par exemple varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. La structure en couche(s) SC peut être placée en au moins trois 20 endroits différents. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, la structure en couche(s) SC comprend une face supérieure solidarisée à la face inférieure FIE de l'écran protecteur EP, laquelle est orientée vers la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP. 25 Dans ce cas, la face inférieure FIS de la structure en couche(s) SC est solidarisée à la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP au moyen, par exemple, d'une colle CT qui est transparente à une partie au moins du rayonnement incident et notamment à celle qui est utile à la conversion photovoltaïque. Au lieu d'une colle on peut utiliser tout autre 30 dispositif de fixation ou de maintien. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, la structure en couche(s) SC est solidarisée à la face supérieure FSE de l'écran protecteur EP, laquelle est opposée à la face supérieure FSC de la cellule 7 photovoltaïque CP. Dans ce cas, la face inférieure FIE de l'écran protecteur EP est solidarisée à la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP au moyen, par exemple, d'une colle CT qui est transparente à une partie au moins du rayonnement incident et notamment à celle qui est utile à la conversion photovoltaïque. Au lieu d'une colle on peut utiliser tout autre dispositif de fixation ou de maintien. Dans ce mode de réalisation, il peut être avantageux de prévoir une adaptation électrique appropriée (par exemple des diodes de protection intégrées) afin d'éviter des phénomènes de désadaptation de l'association en réseau des différentes cellules, laquelle peut entraîner une destruction du dispositif D (phénomène appelé Hotspot - point chaud). Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 3, la structure en couche(s) SC est solidarisée à la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP dans l'espace libre situé entre les éléments de collection EG de sa grille de collection G. Elle comble donc, au moins en partie, l'espace qui sépare les éléments longitudinaux EG. On considère en effet, ici, que les éléments de collection EG réfléchissent le rayonnement incident. Dans une variante, on peut envisager que la structure en couche(s) SC comble la totalité de l'espace libre situé entre les éléments de collection EG et les recouvre sur une épaisseur choisie. La face inférieure FIE de l'écran protecteur EP est ici solidarisée à la face supérieure FSC de la cellule photovoltaïque CP, via la grille G et la structure en couche(s) SC, au moyen, par exemple, d'une colle CT qui est transparente à une partie au moins du rayonnement incident et notamment à celle qui est utile à la conversion photovoltaïque. Au lieu d'une colle on peut utiliser tout autre dispositif de fixation ou de maintien. Dans les exemples de réalisation illustrés sur les figures 1 à 3, les moyens de limitation ne comportent qu'une unique structure en couche(s) SC. 3o Mais, on peut envisager des variantes dans lesquelles ils comprennent une structure en couche(s) SC solidarisée à la face supérieure FSE de l'écran protecteur EP et/ou une structure en couche(s) SC solidarisée à la face inférieure FIE de l'écran protecteur EP et/ou une structure en couche(s) SC 8 9 2894387 solidarisée à la face supérieure FSC du matériau de conversion MC de la cellule photovoltaïque CP. On se réfère maintenant à la figure 4 pour décrire un quatrième exemple de réalisation, différent des trois précédents qui reposent sur s l'utilisation d'au moins une structure en couche(s) semi réfléchissante SC. Dans cet exemple de réalisation, les moyens de limitation sont directement constitués par la grille de collection G. Plus précisément, on utilise ses éléments de collection EG pour réfléchir une partie du rayonnement incident (flèche F2). Ici, la réflexion n'est pas sélective du fait que l'on ne fait io que limiter le flux incident de rayonnement qui parvient (flèche F3) au niveau du matériau de conversion MC en augmentant la surface totale de recouvrement de la face supérieure FSC de la cellule CP par les éléments de collection EG. Le taux de recouvrement du matériau de conversion MC par les éléments de collection EG est choisi en fonction du flux maximal de 15 rayonnement incident que ledit matériau de conversion MC est autorisé à recevoir. En limitant le flux incident, on limite la transmittance du dispositif D, ce qui permet de réduire l'échauffement de la cellule photovoltaïque CP, et donc de limiter la diminution de son rendement de conversion photovoltaïque. Le taux de recouvrement permettant de limiter l'échauffement résulte 20 d'une modélisation et d'un compromis entre les bilans thermique et électrique du dispositif D. L'ordre de grandeur de ce taux de recouvrement est par exemple supérieur ou égal à 50 %. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de conversion photovoltaïque décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais 25 elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Ainsi, dans ce qui précède, on a décrit une application de l'invention aux dispositifs de conversion photovoltaïque de type générateur électrique. Mais, l'invention n'est pas limitée à cette application. Elle concerne également les dispositifs de conversion photovoltaïque tels que les photodétecteurs saturables, les senseurs solaires ou stellaires, et les concentrateurs. Dans ces derniers cas, le dispositif se substitue en lieu et place du détecteur, du senseur et de la cellule solaire, respectivement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion photovoltaïque (D) en présence d'une forte irradiance spectrale, comprenant au moins une cellule photovoltaïque (CP) comportant une face inférieure munie d'une couche conductrice (CC) et une face supérieure (FSC) munie d'une grille de collection de porteurs (G) et au moins un écran protecteur en verre (EP) placé au-dessus de ladite cellule (CP), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de limitation (SC ;EG) agencés, lorsque ledit dispositif (D) est placé sous un fort rayonnement lo incident de spectre connu, pour limiter l'accès d'une partie dudit rayonnement incident à ladite cellule (CP) de manière à réduire son échauffement thermique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de limitation sont agencés sous la forme d'au moins une structure en 15 couche(s) semi réfléchissante (SC) placée sur le chemin de propagation dudit rayonnement entre l'espace et ladite face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) et agencée pour réfléchir vers l'espace au moins une partie choisie d'une portion du rayonnement incident n'intervenant pas (ou moins) dans ladite conversion photovoltaïque. 20 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite structure en couche(s) (SC) est solidarisée à une face supérieure (FSE) dudit écran protecteur (EP), opposée à la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP), et en ce que ledit écran protecteur (EP) comprend une face inférieure (FIE) orientée vers la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) et 25 solidarisée à celle-ci. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite face inférieure (FIE) de l'écran protecteur (EP) est solidarisée à la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) au moyen d'une colle (CT) transparente à une partie au moins dudit rayonnement incident. 30 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite face inférieure (FIE) de l'écran protecteur (EP) est solidarisée à la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) au moyen d'un dispositif de fixation ou de maintien. io 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite structure en couche(s) (SC) est solidarisée à une face inférieure (FIE) dudit écran protecteur (EP), orientée vers la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP), et comprend une face inférieure (FIS) orientée vers la face supérieure s (FSC) de ladite cellule (CP) et solidarisée à celle-ci (FSC). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite face inférieure (FIS) de ladite structure en couche(s) (SC) est solidarisée à la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) au moyen d'une colle (CT) transparente à une partie au moins dudit rayonnement incident. io 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite face inférieure (FIS) de ladite structure en couche(s) (SC) est solidarisée à la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) au moyen d'un dispositif de fixation ou de maintien. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite 15 structure en couche(s) (SC) est définie sur la face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) dans l'espace situé entre des éléments de collection (EG) de ladite grille de collection (G). 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite structure en couche(s) (SC) comprend une couche d'oxyde(s) 20 métallique(s) d'épaisseur choisie en fonction des longueurs d'onde de ladite partie choisie du rayonnement incident à réfléchir vers l'espace. 11. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ladite structure en couche(s) (SC) comprend au moins deux couches d'oxyde(s) métallique(s) d'épaisseurs respectives choisies en fonction des 25 longueurs d'onde de ladite partie choisie du rayonnement incident à réfléchir vers l'espace. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de limitation sont constitués par ladite grille de collection (G), celle-ci comportant des éléments de collection (EG) connectés les uns aux autres et 30 présentant une surface totale de recouvrement de ladite face supérieure (FSC) de ladite cellule (CP) choisie de manière à être égale à une fraction choisie de la surface de cette face supérieure (FSC).