Brevet FR2942075A1 — publié le 20100813

GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE La présente invention concerne des générateurs photovoltaïques constitués par des cellules juxtaposables comprenant chacune au moins une cellule photovoltaïque. Chaque cellule présente des parois transparentes et au moins une paroi réflective. La cellule comprend des matériaux optiquement actifs désignés dans le présent brevet par � cascades lumineuses �. On connaît dans l'état de la technique le brevet américain N° 3,912,931 décrivant un dispositif amplificateur d'énergie rayonnante. Ce brevet décrit un transfert d'énergie solaire incidente par décalage de longueur d'onde vers la plage de plus grande sensibilité de la photopile par des MOA (Molécules Optiquement Actives) constituant un empilement de couches spécialisées dopées, l'émission de l'une correspondant à l'absorption l'autre. Brevet Le brevet US4,088,508 décrit une amélioration dans laquelle le transfert d'énergie est réalisé par une matrice homogène dopée permettant un meilleur rendement de conversion électromagnétique. Le brevet français FR78 08150 décrit une matrice en mélange homogène constituées de COA (Cristaux Optiquement Actifs) de type � Terres Rares � et formant une cascade lumineuse émettant dans l'IR, proche de la plus grande sensibilité d'une photopile Si. (i.e.). Le brevet américain US4,324,946 décrit différentes architectures de collecteurs plans et/ou cylindro-paraboliques propres à piéger les photons dans une lame à cascades lumineuses et les amener par guide d'onde vers les photopiles disposées sur la tranche de la cascades lumineuses. On obtient ainsi un gain électrique facteur N à surface de silicium égale. La matrice dopée cascades lumineuses est transparente dans le visible elle peut être constitutive d'une fenêtre. Ces brevets dits � OPTO photovoltaïque2&3D � associent les différentes connaissances de LPRL en associant des matériaux optiques à traitements de surface spécifiques aux30 cascades lumineuses de type STOKES et anti-STOKES et aux architectures 2 et 3D optimisées : Le brevet FR92 12713 décrit un concentrateur d'énergie électromagnétique à changement de fréquences constituant entre autre une diode électromagnétique � notamment applicable aux dispositifs Photovoltaïques de type � collecteurs plans � simples ou multiples à effet de concentration optique et, par dichotomie des différentes fonctions A%, R%, Reémission et Photovoltaîque, la notion de générateur volumique. La notion de cascades lumineuses associée au dichroïsme est ici décrite pour la première fois dans la littérature. Le brevet US6,570,083 B2 décrit des générateurs photovoltaïques à cascade lumineuse et variation de flux électromagnétique � décrivent spécifiquement des générateurs 2 et 3D à encapsulation active par collection et décalage de fréquence des photons incidents par cascades lumineuses simple et inverse (STOKES et anti-STOKES). Le but de l'invention est d'améliorer le rendement de tels générateurs photovoltaïques, notamment lorsque les conditions d'ensoleillement ne sont pas optimales. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale une configuration 20 comprenant des cellules photovoltaïques placées dans une enceinte parallélépipédique dont les parois en matériau dopé cascades lumineuses sont recouvertes d'un revêtement dichroïque ou d'un filtre passe bas. L'invention concerne plus particulièrement un générateur photovoltaïque comprenant au 25 moins un bloc présentant des parois transparentes et au moins une parois réfléchissante, ainsi qu'au moins une cellule photovoltaïque, caractérisé en ce que les parois opposées à la paroi réfléchissante et aux cellules photovoltaïques sont transparente et comportant des dopants optiquement actifs transformant le rayonnement incident en un rayonnement dont le spectre est adapté au spectre de photoconversion des cellules photovoltaïques, et en ce 30 que deux parois au moins sont revêtues d'un filtre dichroïque. Avantageusement, le générateur photovoltaïque est constitué par une juxtaposition de bloc, les cellules photovoltaïques de chaque bloc étant disposés selon des plans parallèles.15 Selon une variante, lesdits plans parallèles comprenant les cellules photovoltaïques sont orientés par rapport aux faces transparentes de manière à maximiser la surface orientée en direction de l'ensoleillement en milieu de journée sur le lieu d'implantation du générateur. De préférence, les plans des cellules photovoltaïques forme un angle compris entre 30° et 60° par rapport à l'axe d'éclairage. Selon une variante, le générateur comporte en outre un aérogénérateur disposé au sommet d'un ensemble de modules photovoltaïques. Les cellules sont juxtaposables pour former des structures de grande dimension, telles que des tours de conversion photovoltaïques. Elles constituent un convertisseur électromagnétique à changement de fréquence où la conjugaison des effets de cascades lumineuses de miroirs dichroïques et de réflexions multiples internes par piégeage de photons autorise une architecture tridimensionnelle, de type tour photovoltaïque pouvant également être associé à un système aéraulique, aérogénérateur. ^ La figure 1 représente le principe de fonctionnement d'une Cascade Lumineuse Photovoltaïque La figure 2 représente une vue schématique en coupe ^ La figure 3 représente une vue en perspective d'une cellule photovoltaïque, ^ La figure 4 représente une vue en perspective d'un ensemble de cellules photovoltaïques ^ Les figures 5 à 13 représentent différentes variantes de réalisation de structures selon l'invention. Principe de fonctionnement des cascades lumineuses Le principe des Cascades Lumineuses a été utilisé avec succès par la titulaire dans différents domaines d'applications comme les : • films pour serres agricoles, • les matériaux furtifs IR/RAM et de contre mesures LASER, • les encres de marquage fiduciaires et d'authentification de documents officiels, le marquage de produits verriers pour l'industrie du luxe. Principe des cascades lumineuses Dans l'application Photovoltaïque, le principe des cascades lumineuses mis en oeuvre ressortit à l'optimisation de l'interaction rayonnement / matière en mobilisant dans la plage de longueur d'onde de plus grande sensibilité des cellules solaires au Silicium par exemple, le maximum d'énergie électromagnétique par décalage de fréquence du spectre solaire incident Les pics d'émission énergétique maximum du soleil à AMI ou AMO se situent à 365 et 450nm, dans l'UV et le bleu, alors que le pic de sensibilité maximum des photopiles Si (N+P) par exemple, se situe vers 900 nm. Entre 365 et 440 nm, les photopiles ont un pouvoir de conversion de seulement 25 et 50% de leur potentiel maximum. Les photons incidents dans ces bandes solaires de plus grande énergie sont donc transformés pour une grande partie d'entre eux, en chaleur, échauffant ainsi les piles et en en diminuant proportionnellement le rendement. (les pertes par thermalisation des phonons sont de l'ordre de 1% de Rendement par Dt°de +15°C au delà de 10°C). On voit donc tout l'intérêt que l'on peut tirer, dans un premier temps, du transfert des photons de plus haute fréquence li (365-440nm) en le ( 800-900nm) selon la loi de Stokes, hne hni. Mise en oeuvre des Cascades Lumineuses : Il est apparu opportun de réaliser une matrice de type PMMA - polyméthyl métacrylate -, bien connu pour ses qualités mécaniques et optiques en aéronautique et pour ses caractéristiques de stabilité physico-chimiques dans l'industrie nucléaire où il est utilisé comme scintillateur, PMMA ensuite dopé par des MOA, molécules optiquement actives, de type cyclique aromatique dont le nombre de noyaux f détermine les longueurs d'onde d'absorption et d'émission. Les MOA étant sélectionnées de telle sorte que les plages d'émission des unes correspondent aux plages d'absorption des autres, on réalise ainsi, de 11i en 11e, une matrice à cascade lumineuse photovoltaïques, homogène, dont l'émissivité correspond à la plage de l'absorption de plus grande sensibilité des photopiles (R et IR proche). Le rendement énergétique de ce matériau de type excimère dépend des caractéristiques intrinsèques de la matrice et des MOA de dopage dont la règle de concentration doit être en raison inverse de leur poids moléculaire, sauf à provoquer, sous excitation, des phénomènes de self-quentching et à en altérer la solidité lumière. Ces différents paramètres ont fait l'objet de recherches approfondies et abouties. Il est à noter que le principe des cascades lumineuses peut être appliqué aux vernis projetables ou sprays pour verre par exemple où ils ont été restés avec succès dans le domaine des serres agricoles et actuellement dans le domaine des verres photovoltaïques par dopages des matrices organiques supports par les MOA constitutives des cascades lumineuses constituant ainsi un nouveau � concentrateur électromagnétique à changement de fréquence � filmogène. Par ailleurs les auteurs sont parvenus à associer les cascades lumineuses dans des nanoparticules de type Mgo-MgCL et Si par exemple, pour en accroître les rendements la solidité lumière et leur qualité optique. Effets conjugués : Une fois réglé le problème des pertes par thermalisation par transfert des photons UV et 440 vers le R et l'IR proche, plusieurs effets se conjuguent simultanément : û Décalage de fréquence, création d'un plus grand nombre de photo-électrons diffus utiles à la cellule, contribuant de plus à l'élimination du phénomène de point chaud û Matrice homogène, optimisation des rendements de conversion (Fig.2) Dans un premier temps les cascades lumineuses photovoltaïques ont été organisées en couches successives spécialisées 11 par 11 disposées devant la cellule (Fig.3). Cette première architecture faisant apparaître un déficit théorique de 50% par strate, nous avons opté pour des matériaux à structure et mélange homogène dont la justification théorique est apportée au chapitre IV suivant. Réemission en 4 PI stéradiant, Dans la matrice en PMMA dopé, chaque MOA absorbe un photon hni, hnn, et réémet un photon hni', hnn' et ce en 4pi stéradiant favorisant ainsi une réflexion multiple à l'intérieur de la lame, un guide d'onde permettant de mobiliser sur les photopiles un flux lumineux d'une longueur d'onde optimisée choisie (Fig.4) Ainsi le flux solaire direct et le flux lumineux réémis se conjuguent pour accroître l'énergie 10 disponible sur la cellule. Par ailleurs il est à noter que certains photons d'incidence hors champs des cellules peuvent être réorientés vers la cible. Les centres actifs des cascades lumineuses fonctionnant en 4 PI stéradiant, leur rendement est amélioré en lumière diffuse, en période de déficit lumineux. 15 Figure 4 : Angle solide, guide d'onde et lumière diffuse, récupération des photons tombant hors de la cible et prise en compte du rayonnement diffus. Avec ce système il on peut réduire le coefficient de foisonnement de S2 cellules / S2 surface de collection de photons. Encapsulation Optiquement Active. La composition classique des générateurs photovoltaïqueest bien connue, elle est constituée de : 25 AI De cellules, jonctions Si(N+P) de qualité électronique et de grande pureté donc chères. Il est à noter que le photovoltaïque pourrait se contenter d'une pureté de Si de 99,9 moins cher à fabriquer mais qui n'existe pas sur le marché, la demande de Si � photovoltaïque � étant marginale par rapport à celle des composants électroniques. 30 B/ De matériaux d'encapsulation issus de l'industrie traditionnelle, comme le verre, les résines silicone ou EVA dont le rôle est exclusivement la protection mécanique et chimique des cellules ; ces matériaux constituent la partie non active des modules, de coût 20 � faible � au regard du prix des cellules, mais ne participant pas de la fonction photovoltaïque productrice d'énergie. Certains électroniciens considèrent même cette partie � non active � et lourde comme étant un � mal nécessaire � dont ils tendent à s'affranchir, dans l'espace par exemple. Il est vrai que les encapsulations classiques obèrent les rendements photovoltaïques des générateurs puisque leurs caractéristiques optiques ne sont généralement pas optimisés aux regard des systèmes photovoltaïques et qu'au mieux, la T% du verre extra blanc (94%) pompera 6% de l'énergie incidente sans parler du coefficient de réflexion qui peut anihiler l'effet du traitement de surface antireflet que l'on applique sur les photopiles à grands frais. CI Nous avons donc pris le parti de réaliser des encapsulations optiquement actives, qui participent de l'amélioration des rendements des générateurs photovoltaïques d'une façon économique. Ceci est possible grâce aux matériaux dopés CL, qui autorisent des gains de courant électrique de l'ordre de 25 à 50% par rapport aux modules classiques, bilame verre i.e., à quantité et qualité de cellules photovoltaïques égales. Les matériaux utilisés, MMA et PMMAA dopés, constituent des cascades lumineuses type PV1.5, et sont d'un prix comparable à celui des encapsulations classiques (verres trempés/TEDLARIEVA) ; ils n'obèrent pas le prix de revient matière des générateurs. Par ailleurs les caractéristiques mécaniques des modules en PMMA, outre leurs performances électriques accrues, en font des produits photovoltaïques recherchés pour nombre d'applications spéciales ou techniques comme celles des � panneaux de pont � de navire, des � bloc énergie � pour les commandos héliportés, de l'alimentation de balises maritimes et aéronautiques largables ou parachutables... ainsi que toutes les autres applications réclamant une résistance aux chocs et une intégration des modules à l'architecture des systèmes à alimenter comme indiqué au chapitre IX. Il s'agit là de fabrications techniquement optimisées, intégrant les fonctions de l'électronique et de l'optique, applications typiques de la physique du rayonnement, et adaptable à tout type de cellules. La figure 5 représente un exemple de construction constituant partie du pylône de section prismatique ou carré. Dans un des cas particulier,la partie haute étant de section circulaire pour des raisons aérodynamique (pour éviter les régimes turbulents à proximité de l'aérogénérateur). Chaque étage de la construction forme un module photovoltaïque tridimensionnel dont les figures 3 et 4 représentent des vues en perspective. La figure 13 représente un exemple de réalisation d'un générateur mixte avec éléments photovoltaïques et éolien à architecture volumique. Il combine plusieurs modules photovoltaïques volumiques avec un aérogénérateur pour constituer un générateur mixte. Le nombre de blocs photovoltaïques dépend de la puissance photovoltaïque désirée. Chaque étage de la construction forme un module photovoltaïque tridimensionnel dont les figures 11 et 12 représentent des vues en perspective. REVENDICATIONS1 û Générateur photovoltaïque comprenant au moins un bloc présentant des parois transparentes et au moins une parois réfléchissante, ainsi qu'au moins une cellule photovoltaïque, caractérisé en ce que les parois opposées à la paroi réfléchissante et aux cellules photovoltaïques sont transparente et comportant des dopants optiquement actifs transformant le rayonnement incident en un rayonnement dont le spectre est adapté au spectre de photoconversion des cellules photovoltaïques, et en ce que deux parois au moins sont revêtues d'un filtre dichroïque. 2 - Générateur photovoltaïque selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué par une juxtaposition de bloc, les cellules photovoltaïques de chaque bloc étant disposés selon des plans parallèles. 3 - Générateur photovoltaïque selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits plans parallèles comprenant les cellules photovoltaïques sont orientés par rapport aux faces transparentes de manière à maximiser la surface orientée en direction de l'ensoleillement en milieu de journée sur le lieu d'implantation du générateur. 4 - Générateur photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les plans des cellules photovoltaïques forme un angle compris entre 30° et 60° par rapport à l'axe d'éclairage. - Générateur photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre un aérogénérateur disposé au sommet d'un ensemble de modules photovoltaïques.