Brevet FR2932832A1 — publié le 20091225

Elément de couverture photovoltaïque Domaine technique de l'invention L'invention concerne un élément photovoltaïque pour montage en toiture, et plus particulièrement la structure d'un élément appelé tuile photovoltaïque pouvant se substituer à un élément de couverture tel qu'une tuile, une ardoise ou une tôle. 10 État de la technique Un module photovoltaïque est formé par association de cellules photovoltaïques. Une cellule photovoltaïque fournit un courant dépendant de l'éclairement. La 15 tension électrique dépend du type du semi-conducteur formant la cellule. Cette tension est habituellement de l'ordre de 0,5 Volt à 0,7 Volt. Les tensions souhaitées en sortie de module photovoltaïque sont généralement supérieures à 6V et typiquement de plusieurs dizaines de volts. Pour cela, un module photovoltaïque est formé d'un assemblage de plusieurs cellules montées en 20 série. Une cellule photovoltaïque peut être réalisée selon deux technologies concurrentes suivant que le substrat est : un substrat de silicium monocristallin ou polycristallin, épais typiquement 200 à 300 micromètres 25 ou un substrat isolant électrique, notamment du verre, sur lequel sont déposées des couches minces semi-conductrices. Dans toute la description qui suit, la face avant d'une cellule est celle qui reçoit le rayonnement solaire. De même, la face avant d'un module est celle qui reçoit le 30 rayonnement solaire.5 Un module photovoltaïque peut être réalisé par association de cellules en silicium monocristallin ou polycristallin. Les cellules sont alors connectées entre elles par des conducteurs électriques et encapsulées entre deux substrats, un substrat avant transparent en verre et un substrat arrière en verre ou en polymère, par exemple un fluorure de polyvinylique comme le Tedlar�. Un polymère transparent thermoplastique comme du polyvinylbutyrate (PVB) ou un copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) assure la cohésion de l'ensemble. Un module photovoltaïque peut également être réalisé par association de cellules ~o en couches minces semi-conductrices. L'ensemble de la structure est alors déposé sur un même substrat et les différentes cellules montées en série sont formées sur ce substrat par dépôt d'une succession de couches minces et par des découpes au laser. Un substrat peut recouvrir l'autre face à fin de protection mécanique. Le substrat qui sert de base au dépôt des couches minces est 15 généralement le substrat avant. Il peut aussi être le substrat arrière dans une structure inversée de cellule, structure dite up-side-down. Les modules photovoltaïques sont destinés à de nombreuses applications, et sont ainsi installés en des emplacements très variés. L'installation en toiture a été 20 proposée depuis longtemps, notamment dans le brevet FR2354430 déposé en 1976. Ce brevet décrit l'empilement de cellules photovoltaïques en silicium polycristallin sur une tuile de toiture. Le brevet (DE4438858) décrit des moyens de connexion électrique pour des éléments de toiture photovoltaïques. 25 Les modules photovoltaïques placés en toiture sont de plusieurs types : des modules photovoltaïques de grande dimension, typiquement plus d'un demi mètre carré, réalisés soit en technologie � silicium polycristallin � sur substrat de silicium épais, typiquement 250 pm, soit en technologie � couches minces � de silicium amorphe ou d'autres semi-conducteurs comme CIS ou 30 CdTe. Ces modules photovoltaïques de grande dimension sont installés soit en lieu et place de la couverture, qu'elle soit en tuiles, tôles, ou tout autre matière, soit en superposition à la couverture existante. des modules photovoltaïques de petite dimension qui sont installés en lieu et place d'un ou plusieurs éléments de la couverture, par exemple à la place d'une tuile ou plusieurs tuiles, généralement 1 à 5 tuiles. Ces modules photovoltaïques de petite dimension sont réalisés soit en technologie � silicium polycristallin �, soit en technologie � couches minces �. Des éléments de couverture, par exemple une tuile ou une ardoise, contenant un module photovoltaïque font également partie de l'état de l'art et sont commercialisés. Ces éléments peuvent être constitués : soit d'un module photovoltaïque rapporté par collage sur la partie supérieure de la tuile ou de l'ardoise soit formés par dépôt et interconnexion de cellules photovoltaïques sur l'élément de couverture et protection de ces cellules par un substrat en verre transparent. Lorsque la couverture de la toiture est réalisée en tuiles ou ardoises, l'utilisation de modules de petite dimension remplaçant une ou plusieurs tuiles ou ardoises, ou des tuiles ou ardoises contenant un module photovoltaïque est souvent préférée à de grands modules pour des raisons esthétiques. Il en résulte cependant plusieurs inconvénients. Premièrement l'exposition directe aux intempéries des modules nécessite des 25 protections importantes contre l'action de l'eau et de l'humidité qui dégradent les performances des cellules dans le temps. Deuxièmement, l'aspect esthétique de la toiture est dégradé du fait qu'un élément de couverture contenant un module photovoltaïque a un aspect très 30 différent de l'élément de couverture qu'il remplace. Le brevet japonais JP5005344 décrit un arrangement dans lequel une cellule photovoltaïque est placée en arrière d'une tuile, transparente à la lumière et dont la surface est courbe, et espacée de cette tuile par un cadre d'adaptation de forme entre la tuile courbe et la cellule photovoltaïque plane. Dans cette configuration, une lame d'air est présente entre la tuile transparente et la cellule photovoltaïque ce qui provoque la multiplication des interfaces verre û air, avec une perte de l'ordre de 3% de l'intensité lumineuse à chaque interface. Dans cette configuration, la tuile constitue une barrière face au milieu extérieur et aux intempéries, mais la cellule photovoltaïque n'est pas protégée de l'humidité ambiante sous la tuile. Or celle-ci peut être importante et dégrader très rapidement le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, d'apporter une grande protection de l'élément photovoltaïque contre le milieu extérieur et l'humidité ambiante tout en limitant le nombre d'interfaces air-verre. Dans la description suivante, la face avant d'une cellule est la face de la cellule qui reçoit directement le rayonnement solaire. De même, la face avant du module est la face du module qui reçoit directement le rayonnement solaire. Le substrat avant du module photovoltaïque est celui formant la face avant de ce module. Dans la description suivante, la face supérieure de l'élément de couverture est la face exposée au milieu extérieur. Selon l'invention, ce but est atteint par l'assemblage d'une tuile transparente en verre moulé et présentant sur sa face inférieure dans sa partie centrale une zone plane d'épaisseur comprise entre 6 et 20 millimètres qui reçoit un module photovoltaïque, ce module étant rapporté sur le verre et collé sur ce verre par l'intermédiaire d'un polymère transparent sur la totalité de sa surface. Selon un premier développement de l'invention, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre moulé est constitué d'un module de type bi-verre et réalisé en technologie couches minces. Selon un deuxième développement de l'invention, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre moulé est constitué d'un module de type mono-verre, réalisé en technologie couches minces et selon une structure dont la face arrière est en contact avec le substrat de verre. Selon un troisième développement de l'invention, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre moulé est constitué d'un module réalisé par association de plusieurs cellules en technologie de silicium polycristallin. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 20 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention 25 en vue de dessous. La figure 2 représente en section AA un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention La figure 3 représente un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention avec un module photovoltaïque de type bi-verre en technologie couche mince15 La figure 4 représente un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention avec un module photovoltaïque en technologie couche mince et en structure inversée mono-verre. La figure 5 représente un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention avec un module photovoltaïque de type bi-verre en technologie de cellules silicium polycristallin. La figure 6 représente un élément de couverture photovoltaïque selon l'invention de dimension double d'une tuile. Description de modes particuliers de réalisation. Un élément de couverture photovoltaïque représenté en vue de face en figure 1 et en section AA en figure 2 est réalisé par l'assemblage d'une tuile transparente 1 et d'un module photovoltaïque 10. Selon l'invention, la tuile transparente est constituée d'un matériau vitreux ayant un fort coefficient de transmission des longueurs d'onde du spectre solaire entre le proche ultraviolet et le proche infrarouge. Ce coefficient de transmission est typiquement compris entre 80% et 95%. Le matériau vitreux est un verre dont la température de ramollissement est comprise entre 500°C et 800°C, en particulier un verre de type sodocalcique. La tuile transparente présente une géométrie compatible avec les tuiles qu'elle doit remplacer en toiture, notamment compatible avec les éléments de raccordement 4 et 5 destinés à interdire le cheminement de l'eau entre les tuiles. La face arrière de la tuile transparente présente une partie centrale plane 2 et de faible épaisseur, épaisseur typiquement comprise entre 6 et 20 millimètres. L'aire de cette partie plane est au moins égale à 50% de l'aire effective couverte par la tuile, c'est-à-dire de l'aire qui n'est pas recouverte par d'autres tuiles. La face arrière de la tuile transparente présente également des structures géométriques 3 destinées au positionnement de la tuile sur les liteaux de la charpente. Selon l'invention, un module photovoltaïque est rapporté sur la surface plane de la face inférieure de la tuile transparente, ce module étant collé sur la totalité de sa surface sur le matériau vitreux de la tuile à l'aide d'un polymère transparent, notamment du poly vinyle butyrate (PVB), de l'éthylène vinyle acétate (EVA), un silicone ou une colle à polymérisation sous rayonnement ultraviolet. Ce module photovoltaïque est relié par deux conducteurs 21 à un boîtier de connexion 20 rapporté sur la face arrière de la tuile. Selon un premier développement de l'invention représenté en figure 3, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente est réalisé technologie couches minces, c'est-à-dire par dépôts successifs de couches minces 12 conductrices et semi-conductrices comme du silicium, CGS, CGIS ou CdTe sur un substrat avant 14 en verre puis protection de cet ensemble par un substrat arrière 11 en verre ou en matériau polymère de type TEDLAR�. Le substrat avant du module photovoltaïque est rapporté par collage à l'aide d'un polymère transparent 15 sur la partie plane de la face arrière de la tuile transparente, le collage ayant lieu sur la totalité de la surface du module. Selon un deuxième développement de l'invention représenté en figure 4, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre moulé est constitué d'un module de type mono-verre, réalisé en technologie couches minces et selon une structure inversée, c'est-à-dire par dépôts successifs de couches 12 minces conductrices et semi-conductrices comme du silicium, CGS, CGIS ou CdTe sur un substrat arrière 16 en verre. La face avant de ce module photovoltaïque qui n'est protégée par aucun substrat est rapportée par collage à l'aide d'un polymère transparent 15 sur la partie plane de la face arrière de la tuile transparente, le collage ayant lieu sur la totalité de la surface du module. Selon un troisième développement de l'invention représenté en figure 5, le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre moulé est constitué d'un module réalisé par association de plusieurs cellules en technologie de silicium polycristallin. Ces cellules 13 sont disposées et connectées entre elles entre deux substrats arrière 11 et avant 14 cet ensemble étant maintenu à l'aide d'un polymère transparent 17. La substrat avant de ce module photovoltaïque est rapporté par collage à l'aide d'un polymère transparent 15 sur la partie plane de la face arrière de la tuile transparente, le collage ayant lieu sur la totalité de la surface du module. Selon une variante de l'invention représentée en figure 6, la tuile transparente 1 est une tuile couvrant la surface de deux tuiles élémentaires. Le ratio de surface couverte par le module photovoltaïque est alors plus important et peut atteindre 75 à 80% de la surface effective de la tuile transparente. Exemple 1 Un élément de couverture photovoltaïque est réalisé par l'assemblage d'une tuile transparente et d'un module photovoltaïque. La tuile transparente est en verre sodocalcique. Elle présente sur sa face arrière une partie centrale plane 2 de 34 x 21 cm2, un ensemble de structures périphériques 4 et 5 qui s'assemblent avec les mêmes structures périphériques des tuiles voisines et destinées à interdire le cheminement de l'eau entre les tuiles ainsi que des butées 3. L'épaisseur de la tuile dans sa partie plane est de 10 mm et cette partie plane présente un coefficient de transmission des longueurs d'onde du spectre solaire entre le proche ultraviolet et le proche infrarouge de 91%. La partie centrale plane représente 71% de la surface de la tuile non recouverte par ses voisines lorsqu'elle est posée en toiture. Un module photovoltaïque contient un ensemble de motifs constitués de couches conductrices en oxyde d'indium et d'étain (ITO) et en aluminium et de couches semi-conductrices en silicium amorphe dopé. Les motifs sont assemblés en série pour fournir une tension de 20 volts en sortie du module. Les couches constituant les motifs sont déposées sur un substrat arrière 16 en verre de type sodocalcique de 2 millimètres d'épaisseur et de 34 x 21 cm2 de surface. Le module ne contient pas de substrat avant. La face avant du module est constituée par la dernière couche mince de l'empilement de couches minces 12. Deux fils conducteurs 21 de sortie électrique sont connectés aux extrémités électriques du module. Ce module photovoltaïque est ensuite rapporté et collé sur la partie centrale plane de la face arrière de la tuile transparente, la face avant du module, non protégée par un substrat, est mise en contact avec la face arrière de la tuile. Pour cela, un élastomère silicone bi-composants transparent est déposé en une couche 15 de 0.5 mm d'épaisseur par une racle d'enduction sur l'ensemble de la partie centrale plane de la tuile transparente. La tuile et le module photovoltaïque sont ensuite placés dans une enceinte où un vide primaire est imposé, la valeur de pression résiduelle étant d'environ 10 millibars. La face avant du module photovoltaïque est alors positionnée parallèlement à la surface plane de la tuile et amenée en contact avec la couche d'élastomère silicone déposé sur la tuile. Le vide est ensuite cassé et l'ensemble tuile-module est placé dans une enceinte thermique à une température de 140°C pendant 15 minutes afin de provoquer la polymérisation de l'élastomère. Un boîtier de connexion 20 comportant deux bornes isolées entre elles est ensuite collé avec une colle à polymérisation sous rayonnement ultraviolet à la périphérie de la face arrière de la tuile transparente. Les deux fils de cuivre 21 sortant du module photovoltaïque sont soudés aux deux bornes du boîtier. Un élastomère silicone bi-composants 22 est ensuite déposé sur toute la périphérie du module et sur les fils de connexion 21. Cet élastomère silicone 22 polymérise à la température ambiante en deux heures environ. Ces éléments de couverture photovoltaïques sont mis en place sur la toiture en remplacement d'une tuile non photovoltaïque. Une dizaine de ces éléments de couverture photovoltaïques sont raccordés en série pour fournir une tension de 200 volts environ. Exemple 2 Un élément de couverture photovoltaïque est réalisé par l'assemblage d'une tuile transparente et d'un module photovoltaïque. La tuile transparente est en verre sodocalcique. Elle présente sur sa face arrière une partie centrale plane 2 de 34 x 21 cm2, un ensemble de structures périphériques 4 et 5 qui s'assemblent avec les mêmes structures périphériques des tuiles voisines et destinées à interdire le cheminement de l'eau entre les tuiles ainsi que des butées 3. L'épaisseur de la tuile dans sa partie plane est de 10 mm et cette partie plane présente un coefficient de transmission des longueurs d'onde du spectre solaire entre le proche ultraviolet et le proche infrarouge de 91%. La partie centrale plane représente 71% de la surface de la tuile non recouverte par ses voisines lorsqu'elle est posée en toiture. Un module photovoltaïque composé de six cellules carrées de 101 x 101 mm2 en silicium polycristallin montées en série et encapsulées par l'intermédiaire d'un polymère thermoplastique transparent EVA entre deux verres de 210 x 340 mm et de 3 mm d'épaisseur fournit une tension de 3,6 volts. Deux fils connectés aux cellules aux extrémités de l'assemblage forment les contacts de sortie électrique 21. Ce module photovoltaïque est ensuite rapporté et collé sur la partie centrale plane de la face arrière de la tuile transparente. Pour cela, un élastomère silicone bi-composants transparent est déposé en une couche 15 de 0.5 mm d'épaisseur par un peigne d'enduction sur l'ensemble de la surface de la face avant du module photovoltaïque. La tuile et le module photovoltaïque sont ensuite placés dans une enceinte où un vide primaire est imposé, la valeur de pression résiduelle étant d'environ 25 millibars. Le substrat avant du module photovoltaïque muni de sa couche d'élastomère silicone est alors positionné parallèlement à la surface plane de la tuile et amené en contact avec la tuile. Le vide est ensuite cassé et l'ensemble tuile-module est placé dans une enceinte thermique à une température de 120°C pendant 30 minutes afin de provoquer la polymérisation de l'élastomère. Un boîtier de connexion 20 comportant deux lames ressort isolées entre elles est ensuite collé avec une colle à polymérisation sous rayonnement ultraviolet à la périphérie de la face arrière de la tuile transparente. Les deux fils de cuivre 21 sortant du module photovoltaïque sont soudés aux deux lames ressort du boîtier. Un élastomère silicone bi-composants 22 est ensuite déposé sur toute la périphérie du module et sur les fils de connexion 21. Cet élastomère silicone 22 polymérise à la température ambiante en deux heures environ. Ces éléments de couverture photovoltaïques sont mis en place sur la toiture en remplacement d'une tuile non photovoltaïque. Ils sont connectés par l'intermédiaire des lames ressort à un connecteur plat formé de deux conducteurs plat 51 et 52 disposés sur un isolant 50. Ce connecteur plat est fixé par collage ou agrafage sur le liteau et permet de connecter tous les éléments photovoltaïques placés sur ce liteau. Revendications1. Elément de couverture photovoltaïque composé d'un module photovoltaïque et d'une tuile transparente en verre présentant sur sa face inférieure dans sa partie centrale une zone plane d'épaisseur comprise entre 6 et 20 millimètres caractérisée en ce que la tuile est en verre moulé et en ce que le module est rapporté sur le verre et collé sur ce verre par l'intermédiaire d'un polymère transparent sur la totalité de sa surface. 2. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre est constitué d'un module réalisé en technologie couches minces. 3. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 2 caractérisé en ce que le module photovoltaïque en technologie couches minces est réalisé selon une structure dont la face arrière est en contact avec le substrat de verre et la face avant est collée directement sur la face plane de la tuile en verre. 4. Elément de couverture photovoltaïque selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module photovoltaïque rapporté sur la face inférieure de la tuile transparente en verre est constitué d'un module réalisé par association de plusieurs cellules en technologie de silicium polycristallin. 5. Elément de couverture photovoltaïque selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la tuile transparente est une tuile couvrant la surface de deux tuiles élémentaires et en ce que le ratio de surface couverte par le module photovoltaïque est supérieur à 75% de la surface effective de la tuile transparente. 1230