Brevet FR2958453A1 — publié le 20111007

Dispositif de génération de courant à base d'énergie solaire à rendement optimisé Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif de génération de courant comprenant un élément photovoltaïque muni d'une face active destinée à être orientée 10 vers le soleil pour générer du courant. État de la technique 15 Les technologies de génération de courant à base de panneaux photovoltaïques sont en pleine expansion. Le soleil est un astre permettant de générer aux alentours de 1000 W.m2, ainsi son exploitation est prometteuse. Cependant, les panneaux photovoltaïques utilisant des technologies de silicium cristallin ne permettent à ce jour de ne récupérer 20 qu'une faible puissance de l'énergie émise par le soleil. À titre d'exemple, avec les technologies actuelles et l'ensoleillement en Europe, il est possible de récupérer environ 130 W.m2 dans les meilleures conditions. Un des problèmes connus de la technologie photovoltaïque est la chute de 25 son rendement lors de l'élévation en température du panneau photovoltaïque. En pleine journée, un panneau photovoltaïque peut facilement atteindre les 70°C, dès lors, on se retrouve bien en dessous des 130 W.m2.5 Afin de résoudre le problème de la chute de rendement, les panneaux photovoltaïques ont tout d'abord été équipés de dissipateurs thermiques en face arrière. Par face arrière, on entend la face du panneau qui n'est pas orientée vers le soleil. La figure 1 illustre un exemple de réalisation à base de dissipateur thermique. Un élément photovoltaïque 1 comporte une couche 2 munie d'une jonction photovoltaïque prise en sandwich entre deux électrodes 3a, 3b. La face supérieure (sur la figure 1) de l'élément photovoltaïque forme une face active destinée à être orientée vers le soleil. L'électrode au niveau de la face active est, de préférence, formée par un peigne de sorte à optimiser la pénétration des photons dans la couche 2. La face inférieure de l'élément photovoltaïque 1 est en contact avec un support 4 équipé de moyens de dissipation thermique, par exemple des ailettes. De tels moyens de dissipation favorisent le refroidissement de l'élément photovoltaïque 1. La face active de l'élément photovoltaïque 1 est recouverte par une couche de protection 5 en verre. Résumé de l'invention L'objet de l'invention vise à limiter la perte de rendement de la technologie photovoltaïque. On tend vers ce but en ce que le dispositif comporte un écran disposé devant la face active, ledit écran étant conçu pour arrêter les longueurs d'onde dans l'infrarouge.25 Selon un développement, les longueurs d'onde des infrarouges arrêtés sont comprises entre 1 µm et 10µm. Selon un autre développement, l'écran est formé dans un matériau d'absorption des longueurs d'onde dans l'infrarouge ou dans un matériau réfléchissant les infrarouges, l'écran peut aussi être localement absorbant aux infrarouges et/ou localement réfléchissant aux infrarouges. 10 Selon un autre mode de réalisation, l'écran comporte des puits thermiques et/ou l'écran est à l'écart de la face active. Selon un autre mode de réalisation, l'écran et la face active de l'élément photovoltaïque sont reliés par un module thermoélectrique. Selon une variante de réalisation, le module thermoélectrique est disposé au niveau de zones mortes de l'élément photovoltaïque. 20 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, 25 dans lesquels : La figure 1 illustre un élément photovoltaïque selon l'art antérieur. 15 La figure 2 illustre une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de génération de courant. La figure 3 illustre une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de génération de courant. La figure 4 illustre une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de génération de courant. La figure 5 illustre une vue en coupe d'un dispositif comportant plusieurs cellules photovoltaïques et un module thermoélectrique. Description de modes de réalisation préférentiels Les modes de réalisation décrits ci-après permettent de limiter l'élévation en température d'un élément photovoltaïque en arrêtant les infrarouges par l'utilisation d'un écran. En effet, des tests ont démontré que l'élévation en température des éléments photovoltaïques était en grande partie due à ces infrarouges qui, une fois absorbés par l'élément photovoltaïque, participent à son augmentation en température. Les photons de type infrarouge participent faiblement à la génération de courant dans les éléments photovoltaïques, de l'ordre d'1 %. La perte dl % du courant généré est faible par rapport aux 10% de gain qu'il est possible de réaliser en limitant la montée en température des éléments photovoltaïques. Pour les différents modes de réalisation décrits ci-après et en relation avec les figures 2 à 5, le terme élément photovoltaïque est à prendre au sens large. Par exemple, ce terme vise autant une cellule photovoltaïque comportant une couche 2 munie d'une jonction photovoltaïque, par exemple de type P/N, prise en sandwich entre deux électrodes 3a, 3b, qu'un module de base, c'est-à-dire une cellule photovoltaïque encapsulée par un panneau de verre protecteur, qu'un panneau photovoltaïque, c'est-à-dire une pluralité 5 de modules photovoltaïques reliés en série et pouvant eux aussi être encapsulés par un matériau protecteur, ou encore une pluralité de cellules photovoltaïques par exemple reliées en série. De préférence, l'électrode 3a disposée au niveau de la face active de l'élément photovoltaïque ou de chaque cellule photovoltaïque 1 est une électrode en forme de peigne 1 o permettant de laisser passer les photons non filtrés entre deux branches du peigne pour qu'ils puissent venir s'écraser dans la couche 2. La figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif de génération de courant comprenant un élément photovoltaïque 1 muni d'une 15 face active destinée à être orientée vers le soleil pour générer du courant. Sur la figure 2, cette face active est la face supérieure de l'élément photovoltaïque 1. Le dispositif comporte en outre un écran 6 disposé devant la face active. L'écran 6 est conçu pour arrêter les longueurs d'onde dans l'infrarouge, c'est-à-dire de préférence les longueurs d'onde supérieures ou 20 égales à 11m, et plus particulièrement comprises entre 1µm et 10µm. De préférence, l'écran 6 arrête les longueurs d'onde au niveau de la face active de l'élément photovoltaïque et si l'élément photovoltaïque est constitué de plusieurs cellules photovoltaïques au moins niveau de zones actives de chaque cellule photovoltaïque (face de la cellule orientée vers le soleil). 25 Autrement dit, l'écran 6 est disposé entre le soleil et la face active, et laisse passer les photons pour que ces derniers aillent s'écraser dans la couche 2, par exemple munie d'une jonction photovoltaïque, de l'élément photovoltaïque 1 tout en bloquant au moins en partie le passage des infrarouges responsables de l'augmentation de température de l'élément photovoltaïque 1. Selon un mode de réalisation, l'écran 6 arrêtant les infrarouges peut être de type réfléchissant aux longueurs d'onde dans l'infrarouge, c'est-à-dire qu'il réfléchit, de préférence, uniquement les infrarouges. Il agit ainsi comme un bouclier thermique limitant la montée en température du dispositif en réfléchissant les rayonnements infrarouges. Le document « Silver-based lowemissivity coatings for architectural windows : Optical and structural properties » de R.J. Martin-Palma et al. tiré de « Solar Energy Materials and Solar Cells 53 » de 1998 pages 55 à 66 décrit des matériaux permettant de réaliser la fonction souhaitée du bouclier dans ce mode de réalisation. Le taux de réflexion d'un tel écran aux infrarouges est, de préférence, supérieur ou égal à 80%. Selon un autre mode de réalisation, l'écran 6 arrêtant les infrarouges peut aussi absorber les longueurs d'onde dans l'infrarouge pour éviter que ces dernières n'atteignent l'élément photovoltaïque. Le taux d'absorption aux infrarouges d'un tel écran est, de préférence, supérieur ou égal à 80%. Un écran 6 absorbant les infrarouges peut comporter des particules en matériau se comportant comme un corps noir, par exemple le graphite ou le carbone se présentant sous la forme de nanofils et/ou de nanotubes. Ainsi, l'écran 6 est capable de convertir l'énergie des infrarouges incidents en chaleur au sein de l'absorbeur en évitant leur passage dans l'élément photovoltaïque 1. Comme indiqué précédemment, les longueurs d'onde des infrarouges arrêtés, qu'ils soient réfléchis ou absorbés, sont, de préférence, comprises entre 1µm et 101m. Selon le mode de réalisation de la figure 2, l'écran 6 absorbe les infrarouges, et est en contact avec la face active de l'élément photovoltaïque. À l'exemple particulier' de la figure 2, l'élément photovoltaïque comporte une cellule photovoltaïque, bien entendu d'autres modes de réalisation de l'élément photovoltaïque tels que ceux cités ci-dessus sont possibles. La montée en 1 o température de l'écran 6 risque, par conduction thermique, de diffuser au niveau de l'élément photovoltaïque 1 entraînant ainsi un transfert de chaleur de l'écran 6 à l'élément photovoltaïque 1. Dès lors, il peut être avantageux, comme sur la figure 2 que l'écran 6 comporte des puits thermiques 7 destinés à drainer la chaleur de l'écran 6. Bien entendu, ces puits thermiques 15 7 seront, de préférence, disposés à des endroits ne gênant pas le passage des photons vers l'élément photovoltaïque 1, par exemple au niveau de zones mortes de l'élément photovoltaïque. Ces puits thermiques 7 sont en général des particules en matériau se comportant comme un corps noir, par exemple le graphite, ou le carbone, pouvant se présenter sous la forme de 20 nanofils et/ou de nanotubes. Les zones mortes de l'élément photovoltaïque correspondent à des emplacements où, lorsque les photons viennent s'écraser, ils ne génèrent pas de courant. À titre d'exemple, pour un panneau formé par une pluralité 25 de modules ou de cellules photovoltaïques, les puits thermiques 7 seront disposés au niveau d'un espacement intermodules ou intercellules du panneau, au-dessus des électrodes, ou déportés sur les bords du panneau. Ainsi, si l'élément photovoltaïque comporte plusieurs cellules photovoltaïques, la face active comporte des zones actives (zone où les photons s'écrasent dans les jonctions photovoltaïques) et des zones mortes comportant par exemple les espaces intercellules. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation dans lequel l'écran 6, de type absorbant des infrarouges, est à l'écart de la face active. Par écart, on entend que l'écran 6 n'est pas en contact direct avec l'élément photovoltaïque 1 afin de limiter le contact thermique avec ce dernier. Cet agencement permet de limiter le transfert thermique entre l'écran 6 et l'élément photovoltaïque 1. De préférence, l'écran 6 est maintenu à distance de la face active de l'élément photovoltaïque 1 par des entretoises 8. Ces entretoises 8 sont, de préférence, réalisées dans des matériaux ayant de fortes propriétés d'isolation thermique comme, par exemple, un aérogel à base de SiO2, toujours dans l'expectative de limiter le transfert thermique vers l'élément photovoltaïque 1. Selon une variante, il est possible de former entre l'écran 6 et la face active une cavité fermée à vide partiel, par exemple de 10-5 bars pour augmenter l'isolation thermique entre l'écran 6 et l'élément photovoltaïque 1. La cavité peut être délimitée par la face active de l'élément photovoltaïque, l'écran 6, et les entretoises 8 disposées sous la forme d'un cadre. Le mode de réalisation de la figure 3, peut être combiné avec celui de la figure 2 dans lequel l'écran 6 comporte des puits thermiques 7 pour limiter la montée en température de l'élément photovoltaïque 1. La combinaison des effets des puits thermiques 7 avec ceux des entretoises 8 améliorent grandement le rendement de l'élément photovoltaïque 1 lors de fortes chaleurs par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation dans lequel l'écran 6 et la face active sont reliés par un module thermoélectrique 9a, 9b. Dans ce mode de réalisation, l'écran 6 est, de préférence, absorbant des longueurs d'onde dans l'infrarouge. Selon l'exemple particulier illustré, le module thermoélectrique comporte deux thermocouples 9a, 9b reliés en série. Dans ce mode de réalisation, l'écran 6 peut être maintenu à l'écart de l'élément photovoltaïque 1 par les thermocouples 9a, 9b. Un module thermoélectrique comporte un côté chaud et un côté froid. Dans 10 un mode générateur de courant, le gradient de température entre le côté chaud et le côté froid permet de générer du courant. Dans un mode refroidissement, l'application d'une tension aux bornes du module thermoélectrique permet d'abaisser la température du côté froid. Un module thermoélectrique comporte plusieurs thermocouples reliés électriquement en 15 série et thermiquement en parallèle. De manière générale, un thermocouple comporte deux plots 10a, 10b formés dans deux matériaux différents et reliés l'un à l'autre par un élément de connexion 11 électriquement conducteur, par exemple en or. De préférence, le premier plot 10a du thermocouple 9a est un matériau de type P et le second plot 10b est un 20 matériau de type N. Bien entendu, tout type de matériau pouvant former un thermocouple peut convenir comme les semi-conducteurs (MgSiGeSn, SiGe, Bi2TO3, etc.), et les semi-métaux par exemple les oxydes inter-métalliques (LiNaCoO2, NaCoO2, HgCoO2, etc.). Les thermocouples sont ensuite reliés en série par un élément de liaison 12 électriquement conducteur, par 25 exemple en or. Sur l'exemple particulier de la figure 4, les éléments de connexion 11 sont en contact thermique avec l'écran 6 et les éléments de liaison 12 sont en contact thermique avec l'élément photovoltaïque, les plots de chaque thermocouple sont sensiblement perpendiculaires à l'écran 6 et à l'élément photovoltaïque 1, ces deux derniers étant sensiblement parallèles entre eux. Ainsi, en fonctionnement de jour, l'écran 6 absorbe les infrarouges du soleil et monte en température. Cette montée en température de l'écran 6 crée un gradient de température entre l'écran 6 et l'élément photovoltaïque 1. L'écran 6 forme donc le côté chaud et l'élément 1 photovoltaïque le côté froid du module thermoélectrique. Dès lors, il devient possible de collecter du courant aux bornes du module thermoélectrique. Cet arrangement particulier permet 1 o d'augmenter la quantité de courant généré dans le dispositif tout en évitant la montée en température de l'élément photovoltaïque 1, et donc de limiter la perte de rendement de ce dernier. Ainsi, la combinaison de l'écran 6, de l'élément photovoltaïque 1 et du module thermoélectrique comportant des thermocouples 9a, 9b permet d'augmenter l'efficacité au mètre carré du 15 dispositif en exploitant à la fois la technologie photovoltaïque et la technologie thermoélectrique. À titre d'exemple, un gradient de température de 40°C entre le côté chaud et le côté froid permet d'obtenir environ 25 à 30 W.m2 ce qui en s'ajoutant aux 130 W.m2 de la technologie photovoltaïque permet un gain d'environ 20% de rendement au mètre carré. 20 De plus, un tel dispositif combinant les énergies photovoltaïques et thermoélectriques permet la génération de courant même de nuit. En effet, la nuit la température extérieure redescend et entraîne l'inversion du côté chaud et du côté froid du module thermoélectrique. L'écran 6 devient le côté 25 froid et l'élément photovoltaïque 1 devient le côté chaud, permettant ainsi la génération de courant. Bien entendu, le module thermoélectrique sera disposé, de préférence, au niveau de zones mortes de l'élément photovoltaïque 1 pour ne pas faire ombrage à ce dernier, et pour optimiser la génération de courant de jour comme de nuit. Autrement dit, les thermocouples tels que définis ci-dessus pourront, par exemple, être disposés au-dessus des électrodes, entre deux modules photovoltaïques, ou deux cellules photovoltaïques. La figure 5 illustre un cas particulier de combinaison des techniques photovoltaïques et thermoélectriques. Sur la figure 5, l'élément 1 o photovoltaïque 1 comporte deux cellules photovoltaïques, chaque cellule comportant une couche 2 munie d'une jonction photovoltaïque prise en sandwich entre deux électrodes 3a, 3b. Ces deux cellules photovoltaïques sont prises en sandwich entre un support 4 et l'écran 6, et sont séparées l'une de l'autre par un espace intercellules qui correspond en fait à une zone 15 morte de l'élément photovoltaïque 1. Ainsi, la face active de l'élément photovoltaïque est définie par des zones actives de chaque cellule (surface supérieure d'une cellule orientée vers le soleil) et des zones mortes représentatives de l'espace entre deux cellules. Selon la coupe représentée à la figure 5, le module thermoélectrique comporte deux thermocouples 9a, 20 9b reliées en série. Ainsi, en fonction du gradient de température entre l'écran 6 et le support 4, le module thermoélectrique 9a, 9b peut générer du courant. Autrement dit, le module thermoélectrique est disposé au niveau des zones mortes de l'élément photovoltaïque, et peut être en contact thermique avec l'écran 6 et le support 4. Plus particulièrement, à la figure 5, 25 l'élément de connexion 11 de chaque thermocouple est en contact avec l'écran et les éléments de liaison 12 sont en contact avec le support 4. Selon une variante toujours illustrée à la figure 5, l'écran 6 peut être localement bloquant aux infrarouges uniquement en regard des zones actives de chaque cellule photovoltaïque. II est aussi possible d'avoir un écran 6 qui serait réfléchissant aux infrarouges en regard des zones actives des cellules photovoltaïques de l'élément photovoltaïque, et absorbant aux infrarouges au niveau des zones mortes où le module thermoélectrique est disposé. Ceci permettrait d'exploiter au mieux le gradient de température entre le support 4 et la portion de l'écran 6 au niveau de la zone morte, tout en limitant la montée en température des cellules photovoltaïques. Les différents modes de réalisation peuvent aussi être combinés avec un support 4 équipé de dissipateurs thermiques, et disposé, de préférence, en face arrière de l'élément photovoltaïque 1 pour éviter la montée en température de ce dernier et garder sa température au plus bas. Ceci permet d'augmenter le rendement des éléments photovoltaïques et, plus particulièrement, d'optimiser le gradient de température pour augmenter le rendement du module thermoélectrique du mode de la figure 4 ou de la figure 5. De manière générale, l'écran 6 peut comporter un diélectrique comme le SiOX, SixNy ou des réseaux de ces matériaux (superposition de couches très fines qui présentent des propriétés optiques variables), ou un diélectrique associé à des nanoparticules métalliques comme l'argent pour diminuer l'épaisseur de l'écran tout en maintenant les caractéristiques optiques, ou encore des oxydes métalliques transparents (ou TCO) comme ITO, ZnO, ZnO dopé B ou Al. En faisant varier les épaisseurs, les matériaux, les 13 dopages, les concentrations des nanoparticules, on fait varier les pourcentages de transmission, réflexion, absorption. Selon une variante, l'écran 6 est formé dans un matériau actif, c'est-à-dire qu'il comporte des moyens pour modifier son opacité. La modification de l'opacité de l'écran permet de filtrer plus ou moins les rayonnements solaires, et plus particulièrement dans la gamme des infrarouges pour les arrêter. À titre d'exemple particulier, l'écran 6 en matériau actif peut être formé à base de thermochromes permettant une transmission variable des infrarouges en fonction de l'éclairement qui varie dans la journée. Dès lors, le matin, la cellule étant froide, l'écran est transparent aux infrarouges (le cas échéant les fonctions thermoélectriques du dispositif sont désactivées, ou très peu efficaces). Progressivement au cours de la journée la cellule monte en température et l'écran 6 bloque peu à peu les infrarouges, typiquement ce blocage peut commencer lorsque la température de l'élément photovoltaïque dépasse 40°C. Le soir, il y a peu de photons, les éléments photovoltaïques ne fonctionnent plus, il devient possible de bloquer totalement les infrarouges pour, le cas échéant maintenir le côté chaud du module thermoélectrique opérationnel. Selon une variante, il est aussi possible d'utiliser des électrochromes dont la transmission varie sous l'application d'un champ électrique. Un tel dispositif peut être installé sur le toit d'un bâtiment de sorte à couvrir une partie des besoins en électricité du bâtiment de manière optimale. Revendications1. Dispositif de génération de courant comprenant un élément photovoltaïque (1) muni d'une face active destinée à être orientée vers le soleil pour générer du courant, caractérisé en ce qu'il comprend un écran (6) disposé devant la face active, ledit écran (6) étant conçu pour arrêter les longueurs d'onde dans l'infrarouge. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs d'onde des infrarouges arrêtés sont comprises entre 11,tm et 10µm. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'écran (6) est un oxyde métallique transparent choisi parmi ITO, ZnO, ZnO dopé B ou Al. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écran (6) réfléchit les longueurs d'onde dans l'infrarouge. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le taux de réflexion des longueurs d'onde dans l'infrarouge de l'écran (6) est supérieur ou égal à 80%. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écran (6) est formé dans un matériau d'absorption des longueurs d'onde dans l'infrarouge. 14 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le taux d'absorption de l'écran (6) des longueurs d'onde dans l'infrarouge est supérieur ou égal à 80%. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'écran (6) comporte des puits thermiques (7). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'écran (6) est à l'écart de la face active. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran (6) et la face active de l'élément photovoltaïque (1) sont reliés par un module thermoélectrique (9a, 9b). 15 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un module thermoélectrique (9a, 9b) est disposé au niveau de zones mortes de l'élément photovoltaïque (1).10