Brevet FR2965664A1 — publié le 20120406

Procédé et dispositif photovoltaïques permettant la production d'énergie électrique sous faible luminosité et hors période d'exposition à une source lumineuse La présente invention concerne un procédé et un dispositif photovoltaïques permettant la production d'énergie électrique sous faible luminosité et hors des périodes d'exposition des modules photovoltaïques à la lumière du jour ou autre source lumineuse. En particulier, elle s'applique aux modules ou panneaux photovoltaïques destinés à être installés sur les toitures de bâtiments ou autres surfaces réceptrices. Elle peut s'appliquer à d'autres domaines tels que la signalisation, l'horlogerie, la sécurité, etc. Les modules ou panneaux photovoltaïques sont actuellement de plus en plus adoptés pour la production d'électricité, en raison des avantages découlant de cette source de production d'énergie (non utilisation de matière fossile, réduction de la facture énergétique, respect de l'environnement...). Toutefois, les modules photovoltaïques existants ne produisent de l'énergie électrique que durant les périodes où ils se trouvent exposés à la lumière du jour ou à une autre source lumineuse. Dans le premier cas, la luminosité peut subir des variations naturelles tout au long de la journée et voire au cours de l'année, par exemple, en cas de brume, de passages nuageux, de pluie, d'ombrages, du déplacement du soleil (dû à la rotation de la Terre sur elle-même), des changements de saisons, etc. Ces évènements atténuent le rayonnement solaire et donc modifie le spectre de ce dernier, à la suite de phénomènes complexes d'absorption, en sus des phénomènes de propagation dans l'atmosphère. Sans rentrer dans les détails physiques, le rayonnement solaire est constitué en grande partie par les ultra-violets (UV), la lumière visible et le rayonnement infrarouge formant un spectre continu. Il apparait que les cellules photovoltaïques, à base de silicium, fonctionnent efficacement avec les longueurs d'ondes du spectre visible, plus particulièrement avec la couleur jaune dont la longueur d'onde est comprise entre 565 et 590 nm. Cependant cette dernière est sensible aux perturbations d'ordre atmosphérique Il existe des solutions de stockage de l'énergie produite par des modules photovoltaïques comme, par exemple, les accumulateurs au plomb ou les accumulateurs au lithium ion. Cependant, ces accumulateurs sont coûteux et/ou encombrants. Par ailleurs, il est connu d'utiliser des pigments photoluminescents qui permettent d'emmagasiner la lumière du jour ou la lumière produite par une source de lumière artificielle, puis de la restituer sous faible luminosité et dans l'obscurité pendant une période limitée. Ces pigments photoluminescents sont constitués de molécules d'origine organique ou minérale. Ils sont proposés sous forme de poudre, d'encre, de ruban autoadhésif, de pâte, etc. Ils peuvent aussi être appliqués directement en couche mince à la surface d'un substrat approprié. Ils sont largement utilisés dans l'industrie, par exemple, dans le domaine de la signalétique pour permettre la signalisation dans certains lieux en cas de défaillance ou de coupure du système d'éclairage normal (sous-marin) ou faiblement éclairés la nuit (tunnels, immeubles) en assurant ainsi, par exemple, un balisage facilitant le déplacement des personnes. Ils peuvent être également utilisés pour renforcer la visibilité et la lecture des aiguilles sur les montres, ou encore sur des tissus comprenant des dispositifs de sécurité. Un objectif de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif photovoltaïques permettant à un module photovoltaïque de produire de l'énergie électrique sous faible luminosité et hors des périodes d'exposition à l'énergie solaire ou à une source de lumière artificielle. Un autre objectif de l'invention est de permettre au module photovoltaïque 25 de produire de l'énergie électrique quelle que soit la frange du spectre lumineux reçue par les cellules photovoltaïques. Un autre objectif est d'augmenter le temps de production d'un module photovoltaïque pendant la nuit. Le dispositif photovoltaïque selon l'invention, comprend un module constitué de cellules photovoltaïques, remarquable en ce que la surface destinée à être exposée à la lumière du jour ou autre source lumineuse est recouverte d'une fine couche de pigments photoluminescents ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle et d'emmagasiner une partie de celles-ci pour la restituer pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de ladite surface. Grâce à une telle disposition caractéristique, le module photovoltaïque est continuellement exposé à une source lumineuse, de sorte qu'il est capable de produire de l'énergie électrique durant le jour lors de fort ensoleillement ou sous faible luminosité, la lumière pouvant traverser la couche de pigments photoluminescents avec une perte minimale. A la nuit tombée et en l'absence d'éclairage artificiel, les pigments photoluminescents émettent une luminescence suffisante pour activer les cellules photovoltaïques pendant une durée limitée, par exemple, pendant une durée comprise entre six et douze heures suivant la qualité desdits pigments. De la sorte, le module photovoltaïque est capable de produire continuellement de l'énergie électrique. Selon une autre disposition caractéristique importante de l'invention, cette couche de pigments photoluminescents permet de palier à une faible luminosité en période diurne en concentrant toutes les longueurs d'onde constituant le spectre lumineux du rayonnement solaire, de sorte à les convertir pour les restituer en une frange de longueur d'onde efficace autorisant le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Selon une caractéristique importante de l'invention, les cellules 25 photovoltaïques sont constituées de cellules du type monocristallin, polycristallin, amorphe ou à hétérojonction. Selon encore une autre disposition caractéristique de l'invention, les cellules photovoltaïques du module photovoltaïque sont du type double face, ces cellules présentant une première surface photosensible et une deuxième surface 30 photosensible opposée l'une par rapport à l'autre, et par extension à tout autre type de cellules photovoltaïques. 2965664. - 4- Selon un autre mode d'exécution, le module photovoltaïque comporte un fond constitué par une plaque réfléchissante, cette dernière étant recouverte d'une couche de pigments photoluminescents perméable à la lumière, la plaque réfléchissante permettant de réfléchir la lumière en direction de la deuxième 5 surface photosensible, une partie de cette lumière est emmagasinée par ladite couche de pigments photoluminescents de façon à être restituée Vers la deuxième surface photosensible pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de ladite surface. Selon une autre disposition caractéristique de l'invention, la couche de lo pigments photoluminescents est appliquée entre deux feuilles d'un matériau translucide ou transparent. Ainsi, la lumière du jour peut facilement traverser la couche de matériau translucide et atteindre les pigments qui laissent traverser la lumière et emmagasinent celle-ci en même temps. 15 Selon un mode d'exécution, la couche de pigments photoluminescents est appliquée directement sur la surface du module photovoltaïque destinée à être exposée à une source lumineuse. Selon un autre mode d'exécution, la couche de pigments photoluminescents est appliquée entre deux feuilles de verre. 20 Selon encore un autre mode d'exécution, la couche de pigments est appliquée entre deux feuilles de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou entre deux feuilles de polycarbonate (PC) ou d'autres matériaux translucides tels que l'Éthylène-acétate de vinyle (EVA). Selon un autre mode de réalisation avantageux, une feuille d'un matériau translucide ou transparent est appliquée sur la couche de pigments photoluminescents, disposée directement sur la surface du module photovoltaïque. 2965664 - 5- L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque, ce procédé étant remarquable en ce que l'on applique une couche de pigments photoluminescents ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle 5 et d'emmagasiner une partie de celles-ci pour la restituer pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité vers la surface du module destinée à être exposée à la lumière du jour ou autre source lumineuse. Selon un mode de mise en ceuvre, on dispose une couche de pigments photoluminescents directement sur la surface du module photovoltaïque destinée 10 à être exposée à une source lumineuse. Selon un autre mode de mise en ceuvre, on recouvre la couche de pigments photoluminescents par une feuille d'un matériau transparent ou translucide. Selon un autre mode de mise en ceuvre, on dispose une couche de 15 pigments entre deux feuilles d'un matériau transparent ou translucide et on applique ce complexe sur la surface du module photovoltaïque destinée à être exposée à une source lumineuse. Selon un autre mode de mise en ceuvre utilisant les cellules à double face, on dispose un fond constitué par une plaque réfléchissante munie d'une 20 couche de pigments photoluminescents orientée en direction du module photovoltaïque. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description détaillée qui suit et des dessins annexés 25 dans lesquels : La figure 1 est une vue de côté et de détail d'un module photovoltaïque suivant lequel la couche de pigments photoluminescents est disposée entre deux feuilles d'un matériau transparent ou translucide. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel une couche de pigments photoluminescents est appliquée directement sur la 2965664 - 6- surface d'un module photovoltaïque destinée à être exposée à une source lumineuse. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation de l'invention selon lequel une couche de pigments est appliquée directement sur la surface du module 5 photovoltaïque et recouverte par une feuille d'un matériau transparent ou translucide. La figure 4 illustre un autre mode d'exécution de l'invention selon lequel le dispositif comprend des cellules photovoltaïques double face. On se réfère auxdits dessins pour décrire des exemples intéressants, 10 quoique nullement limitatifs, de réalisation d'un dispositif photovoltaïque et de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans la présente description, et dans les revendications qui suivent, le terme « module » désigne tout dispositif constitué de cellules photovoltaïques quelles que soit sa forme et ses dimensions, il désigne en particulier un panneau 15 photovoltaïque. La figure 1 représente un module photovoltaïque 1 constitué, de manière connue en soi, de cellules photovoltaïques présentant une surface 2 photosensible dirigée vers la lumière du jour ou autre source lumineuse S. De façon connue, les cellules photovoltaïques sont à base de silicium de type 20 monocristallin, polycristallin ou amorphe connectées entre elles. Celles-ci peuvent présenter une ou plusieurs jonctions ou hétérojonctions, bien connue(s) de l'Homme du métier. Ces cellules photovoltaïques peuvent encore être des cellules à pigments photosensibles ou à colorants, également appelées, Cellules Gràtzel. 25 Selon l'invention, la surface 2 du module photovoltaïque 1 destinée à être exposée à une source lumineuse S est recouverte d'une couche de pigments photoluminescents 3 ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle et d'emmagasiner une parte de celles-ci pour la restituer 2965664 - 7- pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité, en direction de la surface 2. Cette couche de pigments photoluminescents 3 permet, d'une part, de palier à une faible luminosité ou par temps couvert, en période diurne, en 5 concentrant toutes les longueurs d'ondes constituant le spectre lumineux du rayonnement solaire, de sorte à les convertir pour les restituer en une frange de longueur d'onde efficace autorisant le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Il est admis que l'expression « faible luminosité » fait référence à une 10 intensité nettement inférieure à 1 000 \Aure En phase de lumière diffuse, c'est-à-dire renvoyée dans toutes les directions, les cellules photovoltaïques agissant en synergie avec les pigments photovoltaïques continuent de fonctionner grâce à la conversion des différentes longueurs d'ondes dans le spectre jaune-vert. 15 De manière générale, lors de perturbations atmosphériques entraînant une baisse de luminosité et donc une faible quantité de longueur d'onde correspondant à la couleur jaune, les modules photovoltaïques connus qui ne sont pas équipées de tels pigments, ne sont plus alimentés en énergie solaire, ce qui engendre une coupure du réseau électrique. 20 A l'inverse, selon l'invention, les cellules photovoltaïques recouvertes d'une couche de pigments 3 permettent le maintien de l'alimentation pendant une longue période. La couche de pigments photoluminescents 3 est composée de cristaux d'éléments de « Terre rare », tels que l'europium, le thulium, le cérium, etc. Elle 25 peut être composée d'autres éléments chimiques, ces derniers pouvant être dopés avec les éléments de « Terre rare ». Comme évoqué précédemment, ces éléments ont la capacité d'emmagasiner la lumière et de la restituer sous faible luminosité et dans l'obscurité pendant une période limitée. Ils peuvent émettre une luminescence, 2965664 - 8- par exemple, pendant une durée de six à douze heures suivant la qualité des pigments. La lumière réémise est orientée en direction des cellules photovoltaïques de sorte que celles-ci soient activées. Bien entendu, plus la concentration de ces pigments photoluminescents 5 est élevée, plus le rayonnement lumineux restitué sera important. De même, plus la granulométrie sera importante et plus longue et plus puissante sera la durée d'émission. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les cristaux de pigments photoluminescents employés dans le cadre de l'invention, sont 10 constitués d'aluminate de Strontium, notés SrAl2O4, dopés avec un ou plusieurs éléments de « Terre rare », par exemple, l'europium. Ces cristaux activés ont la particularité de se charger sous plusieurs sources émettrices (lumière visible, UV, infrarouges) et de réémettre de la lumière, notamment dans le spectre Jaune-Vert. 15 Selon une caractéristique importante de l'invention, ces pigments photoluminescents ont la faculté, dans un premier temps, d'absorber toutes les longueurs d'onde en phase de rayonnement diffus afin de concentrer celles-ci, puis, dans un deuxième temps, de les convertir afin de les réémettre dans la frange de longueur d'onde efficace correspondant aux couleurs jaune-vert. Dans 20 ce cas de figure, les pigments photoluminescents jouent le rôle d'amplificateur et de convertisseur. Selon une caractéristique de l'invention, la couche de pigments photoluminescents 3 selon l'invention, est appliquée entre deux feuilles 4, 5 d'un matériau translucide ou transparent, de sorte à laisser passer les rayons du soleil 25 ou tout rayonnement d'une autre source d'énergie lumineuse. Selon un premier mode d'exécution, ces feuilles 4, 5 translucides ou transparentes sont constituées par deux feuilles de verre. Ce dernier peut être feuilleté ou recuit. Selon un autre mode d'exécution, la couche de pigments 3 est appliquée 30 entre deux feuilles 4, 5 de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), plus connu 2965664 - 9- sous le nom de Plexiglas ®. Il peut, alternativement, s'agir de deux feuilles 4, 5 de polycarbonate (PC) ou deux feuilles d'Éthylène-acétate de vinyle (EVA). Ces polymères sont des matériaux ayant sensiblement les mêmes caractéristiques que le verre, notamment une très grande transparence ou translucidité, ce qui 5 permet une bonne propagation de la lumière. Selon un autre mode de réalisation, la couche de pigments photoluminescents 3 est appliquée directement sur la surface 2 du module photovoltaïque 1 ayant la surface exposée à une source lumineuse S. Dans ce cas, comme on peut le voir sur la figure 3, la couche de pigments lo photoluminescents 3 peut être recouverte par une feuille 4 de verre ou autre substitut. La couche de pigments photoluminescents 3 peut être appliquée sous forme d'une fine pellicule de poudre ou d'encre. Elle peut présenter une épaisseur d'environ 10 mm, cette épaisseur pouvant être plus fine ou plus 15 épaisse selon la forme et la qualité des pigments. La couche de pigments photoluminescents 3 peut encore être constituée par un matériau composite comprenant des pigments photoluminescents sous forme de poudre incorporée à une résine transparente ou translucide. Cependant, ces pigments photoluminescents peuvent être mélangés au verre 20 fondu ou au matériau désigné pour encapsuler les cellules photovoltaïques. De la sorte, cette couche de pigments 3 est conformée pour résister aux temps et aux intempéries. Dans un autre mode d'exécution envisageable, des pigments photoluminescents peuvent être incorporés dans la surface de la cellule 25 photovoltaïque lors de son processus de fabrication. L'invention s'applique donc également aux dispositifs photovoltaïques réalisés par la mise en oeuvre de cette variante du procédé. Les feuilles 4 et 5 transparentes et translucides ont la capacité de pouvoir être traversées par la lumière sans altérer les propriétés physiques de celle-ci. 2965664 - 10- Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4, le module photovoltaïque 1' est constitué d'une pluralité de cellules photovoltaïques double face connues en soi. Plus précisément, les deux faces, recto et verso de chaque cellule photovoltaïque consistent en des surfaces 2, 2' photosensibles réagissant 5 avec le rayonnement lumineux pour produire de l'énergie électrique. Selon ce mode de réalisation, le module photovoltaïque 1' comporte un fond 6 constitué par une plaque réfléchissante 7 permettant de réfléchir la lumière en direction de la deuxième surface photosensible. Selon une caractéristique de l'invention, la plaque réfléchissante 7 est 10 recouverte d'une couche de pigments photoluminescents 3' emmagasinant une partie de la lumière de sorte à la restituer vers la deuxième surface 2' photosensible pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de ladite surface 2, 2'. Une couche de pigments photoluminescents 3', peut bien entendu, être 15 appliquée sur la première surface photosensible comme décrit précédemment. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque 1. Selon ce procédé, on applique une couche de pigments photoluminescents 3 ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle, et d'emmagasiner une 20 partie de celles-ci pour la restituer dans l'obscurité vers la surface 2 du module 1 destinée à être exposée à la lumière du jour ou autre source lumineuse S. Selon un mode de mise en ceuvre, on dispose une couche de pigments photoluminescents 3 entre deux feuilles 4, 5 d'un matériau transparent ou translucide et on applique ce complexe sur la surface 2 du module 25 photovoltaïque 1 destinée à être exposée à une source lumineuse S. Selon un autre mode de mise en oeuvre, on applique la couche de pigments photoluminescents 3 directement sur la surface 2 du module photovoltaïque 1 destinée à être exposée à une source lumineuse S. 30 De manière préférée, la couche de pigments photoluminescents 3 est recouverte d'une feuille 4 d'un matériau translucide ou transparent. Selon un autre mode de mise en oeuvre, on dispose un fond 6 constitué 5 par une plaque réfléchissante 7 munie d'une couche de pigments photoluminescents 3' orientée en direction du module photovoltaïque 1. REVENDICATIONS1. Dispositif photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque (1 ;1') constitué de cellules photovoltaïques, caractérisé en ce que la surface (2, 2') de ce module (1 ; 1') destinée à être exposée à la lumière du jour ou autre source lumineuse (S) est recouverte d'une couche de pigments photoluminescents (3) ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle, et d'emmagasiner une partie de celles-ci pour la restituer pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de ladite surface (2, 2'). 2. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette couche 'de pigments photoluminescents (3) permet de palier à une faible luminosité en période diurne en concentrant toutes les longueurs d'onde constituant le spectre lumineux du rayonnement solaire, de sorte à les convertir pour les restituer en une frange du spectre lumineux efficace autorisant le fonctionnement des cellules photovoltaïques. 3. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les cellules photovoltaïques du module photovoltaïque (1, 1') sont constituées de cellules du type monocristallin, polycristallin, amorphe ou à hétérojonction. 4. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cellules photovoltaïques sont du type double face, ces cellules présentant une première surface (2) photosensible et une deuxième surface (2') photosensible opposée l'une par rapport à l'autre 5. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 25 caractérisé en ce que la couche de pigments photoluminescents (3) est appliquée entre deux feuilles (4, 5) d'un matériau translucide ou transparent. 6. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de pigments photoluminescents (3) est 2965664 - 13- appliquée directement sur la surface (2) du module photovoltaïque (1) destinée à être exposée à une source lumineuse (S). 7. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de pigments photoluminescents (3) est appliquée entre deux feuilles 5 (4, 5) de verre. 8. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche de pigments photoluminescents (3) est appliquée entre deux feuilles (4, 5) de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou entre deux feuilles (4, 5) de polycarbonate (PC). 10 9. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une feuille (4, 5) d'un matériau translucide ou transparent est appliquée sur la couche de pigments photoluminescents (3) disposée directement sur la surface du module photovoltaïque (1). 10. Dispositif photovoltaïque selon la revendications 4, caractérisé en ce que 15 le module photovoltaïque (1') comporte un fond (6) constitué d'une plaque réfléchissante (7), cette dernière étant recouverte par une couche de pigments photoluminescents (3) ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle, et d'emmagasiner une partie de celles-ci pour la restituer pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de 20 ladite surface (2, 2'). 11. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la couche de pigments photoluminescents (3) est directement intégrée sur la surface (2) de la cellule photovoltaïque du module photovoltaïque (1). 12. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque (1), caractérisé en ce que l'on applique une couche de pigments photoluminescents (3) ayant la capacité d'être perméable à la lumière du jour et à la lumière artificielle, et d'emmagasiner une partie de celles-ci pour la restituer pendant la journée sous faible luminosité et/ou dans l'obscurité en direction de ladite surface (2, 2') du module photovoltaïque (1) destinée à être exposée à la lumière du jour ou autre source lumineuse (S). 20 2965664 - 14- 13. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on dispose une couche de pigments photoluminescents (3) directement sur la surface (2) du module photovoltaïque (1) destinée à être exposée à la source lumineuse (S). 5 14. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on recouvre la couche de pigments photoluminescents (3) par une feuille (4) d'un matériau transparent ou translucide. lo 15. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on dispose une couche de pigments photoluminescents (3) entre deux feuilles (4, 5) d'un matériau transparent ou translucide et on applique ce complexe sur la surface (2) du module photovoltaïque (1) destinée à être exposée à la source lumineuse (S). 15 16. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on dispose un fond (6) constitué par une plaque réfléchissante (7) munie d'une couche de pigments photoluminescents (3') orientée en direction du module photovoltaïque (1). 17. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on incorpore des pigments photoluminescents dans la surface de la cellule photovoltaïque lors de son processus de fabrication. 25