Brevet FR3003091A1 — publié le 20140912

, -1- Technique de concentration de serre photovoltaïque Introduction à l'art : La fabrication de module photovoltaïque cristallin requiert le processus suivant : - nettoyage du verre ou positionnement d'un matériau à forte transparence positionnement d'un film encapsulant EVA « Ethylène Vinyle Acétate » qui est en majorité de l'éthylène vinyle acétate sur le verre ou matériau à forte transparence - soudure d'un ruban de cuivre ayant une couche de protection à base d'un alliage à base d'argent, de plomb et d'étain : la température de la soudure n'excède pas 250°C et ne dure pas plus de 3 secondes par cellules solaires ayant des zones en forme de ligne collecteur de courant des métallisations de l'émetteur sur une largeur de 1,5 à 3 millimètres interconnexion de la polarité négative 'face avant d'une cellule d'un substrat de type P à la polarité positive 'face arrière d'une cellule d'un substrat de type P' par exemple - disposition en rangée de cellules soudées - interconnexion des rangées pour un montage en série des cellules solaires nécessitant une soudure de chaque ligne de collecteur de courant - positionnement d'un film encapsulant sur la matrice de cellules positionnement d'un film arrière de protection électrique ou d'un verre ou autre matériaux isolant lamination à des fins d'encapsulation des cellules solaires Cette technique est unilatéralement utilisée mais a des inconvénients : - le matériau encapsulant EVA a une viscosité d'une grande variabilité en fonction de la température ce qui induit une pression mécanique sur l'ensemble du dispositif des cellules solaires interconnectées - le matériau encapsulant EVA contenant 1% d'eau libère de l'acide acétique et du peroxyde d'hydrogène en permanence qui se retrouvent piégés dans le module photovoltaïque entrainant des corrosions, des réactions chimiques avec les surfaces des cellules solaires, des réactions chimiques avec la surface intérieure du verre et crée la corrosion du verre par la formation de halogénures qui sont des pièges d'électrons mais aussi avec le polymère utilisé en protection électrique du module - le matériau EVA ayant un indice de réfraction part réelle variant entre 1,49 et 1,47 sur la bande de rayonnement solaire, ce qui correspond une réponse spectrale proche du verre blanc utilisé, à savoir que le verre ait un traitement particulier - le matériau EVA étant réticulé à la surface du verre, il est très difficile de séparer par quelques techniques que ce soient le film EVA du verre et le recyclage du verre comportant l'EVA rend les matériaux constituant le verre trop pollués et donc rendent le recyclage du module non fonctionnel Pencapsulation de 60 cellules solaires sur silicium monocristallin de wafer de format pseudo carré de 156mm de côté obtenu par la méthode de croissance Czochralski, « CZ » cellule à homojonction et émetteur homogène de 18,6% de rendement entraine les pertes suivantes : à partir d'un ruban interconnectant en série les cellules de 2mm de largeur par 0,2mm d'épaisseur et interconnectant les rangées de cellules thermo-soudées par un ruban de 5 par 0,3mm, les pertes électriques sont de 2,5% les pertes optiques sont de 1% pour un verre avec une couche de silice poreuse d'indice de réfraction variant entre 1,23 et 1,33 pour un verre de transmittance sur le spectre solaire de 93% le module cristallin de ces 60 cellules solaires de 18,6% aura un rendement de 15,85% soit 2,75% et son comportement en température sera très affecté par Pencapsulation la cellule solaire de 18,6% sur silicium CZ d'orientation « 1-0-0» à émetteur homogène aura un coefficient de variation de sa puissance par rapport à la température d'un facteur négatif de 0,45°/0/°Kelvin et le module cristallin utilisant l'EVA entre autre aura un coefficient de variation de sa puissance d'un facteur négatif de 0,51%/°K la combinaison des matériaux verres à 93% de transmittance avec l'EVA et des cellules à émetteur homogène est compatible mais l'évolution technologique des cellules à homojonction vers des émetteurs sélectifs et des passivations arrières, la réponse spectrale des cellules évoluent grandement rendant la combinaison des matériaux d'un module impropre et non efficiente le module cristallin silicium se caractérise également par le comportement optique du silicium à savoir un fort coefficient d'absorption dans les ultra-violets « UV » et une quasi transparence aux infrarouges « IR » et le comportement en fonction de la température d'un module cristallin est intimement lié à la capacité de capter la bande solaire spectrale dont les longueurs d'onde de 250 à 1300nm représentant 80% du spectre 1 3 00 3 09 1 -2- Une serre photovoltaïque est décrite par les figures n°1 et 2: les modules photovoltaïques sont sous irradiation solaire orientés au 180° sud. Dans ce type de construction, le module a un rendement faible par l'ombrage opéré par la face nord en verre et donc réduit la production d'énergie, d'autre part, selon la saison certains angles d'incidence des rayons lumineux sont réfléchis ce qui réduit la performance de production électrique et 5 par ailleurs l'effet serre réduit l'efficacité de conversion des modules photovoltaïques. La présente invention décrit une technique permettant d'augmenter la réponse spectrale d'un module photovoltaïque quelque soit la technologie photovoltaïque à couche mince ou cristallin par la réflexion d'une partie du spectre solaire quelque soit l'angle d'incidence des rayons solaires : ce principe est décrit à la figure 10 n°3. Description de la technique de concentration de serre photovoltaïque : 15 La présente invention est une technique de concentration de l'irradiation d'origine solaire sur un module photovoltaïque exposé face à l'irradiation solaire directe par une filtration partielle de l'irradiation solaire à des angles différents d'incidence sur le module photovoltaïque par un milieu optique composé d'une nanostruture aux propriétés de bi-réfringence ou d'un miroir de Bragg : ce milieu optique aux propriétés de réflexion partielle a la particularité d'être transparent à certaines longueurs d'onde sous certains angles d'incidence lumineuse et 20 n'occulte pas le passage de la lumière à travers une serre. Ce milieu est un filtre optique présentant des propriétés de bi-réfringence ou de miroir de Bragg par sa constitution. Le filtre optique est exposé en face opposée au module photovoltaïque avec une inclinaison à un angle défini : son angle est fonction de l'angle d'inclinaison du module photovoltaïque et se définit par : 25 a = 0 - i a : angle d'inclinaison du filtre en degré 0 - angle d'inclinaison du module photovoltaïque en degré indice variant entre 5 et 20 30 La fabrication du filtre consiste à une encapsulation du film nanostructure. Le filtre est fabriqué par l'assemblage des matériaux suivants : - milieu transparent4 encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200nrn et une transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 35 1,34 et 1,43 un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 2 encapsulant-II ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 350nrn et une transmittance de 40 93% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,4 et 1,46 Une autre technique d'assemblage du filtre - milieu transparent-I - encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200nrn et une 45 transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,34 et 1,43 un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 2 50 encapsulant-II ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 350nm et une transmittance de 93% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,4 et 1,46 milieu transparent-II Selon une autre technique d'assemblage du filtre 55 - milieu transparent-I - encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200run et une transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,34 et 1,43 - un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu 60 d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 2 2 -3- Les milieux transparent-I et II doivent avoir une transmittance de 92% sur la bande spectrale 275-1500ru-n sont choisis parmi les polymères, le Polyméthacrylate d'épaisseur de 1mm à 6mm, polymère type FEP Perfluoro Ethylène Propylène d'épaisseur entre 25 et 200micron ou une combinaison de ces polymères, du verre à carbonate de sodium et calcium ou verre borosilicate ou verre de quartz. Les milieux transparents I et II peuvent avoir une texturation de la surface par des pyramides ou autres géométries : la face texturée sera face au film nanostructure. Le milieu transparent-II face arrière doit avoir une transmittance de 92% sur la bande spectrale 275- 1500nm et si ce milieu est du verre sans cérium qui est remplacé par de l'antimoine ayant une épaisseur maximum de 2mm. Le milieu transparent-II peut être un milieu organique comme le Polyméthacrylate. Le mileu transparent-II peut être la combinaison de films de Polyacrylate d'épaisseur entre 10 et 100 micron et d'un film métallique d'épaisseur variant entre 5micron et 1mm ou tout autre combinaison de film de fluoro-polymère et d'un film métallique d'épaisseur variant entre 10micron et 2mm. Les encapsulants I et II peuvent être choisi parmi les silicones à température de lamination inférieure à 130°C: le silicone peut être dopé par soit des nanotubes de carbone, soit par du diamant sous forme de poudre micrométrique, soit par du graphite sous forme de poudre micrométrique soit par des nanoluminophores. Le silicone est soit liquide, soit un gel de silicone, soit gomme de silicone par un thermoplastique soit un thermoplastique. Le film nanostructure est un milieu optique biréfringent ou d'un miroir de Bragg par ses propriétés 25 optiques d'anisotropie : le milieu optique est composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,45 et 1,55 sur le spectre 200-1400nm - et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 1,98 sur le spectre 200-1400nm. Chaque milieu réfringent à anisotropie optique est sous forme de couche d'une épaisseur supérieure à 10 angstrâms et chaque milieu a une épaisseur définie par l'anisotropie optique nécessaire. La nanostructuration se définit 30 par un nano-laminé composé d'une multitude de couches d'épaisseur supérieure à 10 Angstreims et dont chaque couche est un matériau à anisotropie optique à indice de réfraction variant entre 1,55 et 1,45 pour le milieu I et un indice de réfraction variant entre 1,98 et 1,6 pour le milieu II. Le nano-laminé par ses couches nanométriques est donc composé de niveaux qui est l'association de deux interfaces polarisant une irradiation photonique : le nombre de niveaux varie entre 1 et 10000 et très préférentiellement entre 200 et 35 1000 avec le niveau 1 caractérisant la première interface de polarisation et le niveau 1000 la dernière interface de polarisation. Le nano-laminé peut avoir une nano-texturation par des formes prismatiques augmentant les surfaces de polarisation et donc de réflexion. La nano-texturation a des formes pyramidales dans la profondeur d'un 40 milieu I ou II ou les deux milieux et de motifs différents dans le sens du plan du miroir selon le milieu I ou H et selon le niveau dans le nano-laminé. La nanotexturation est décrite dans une autre demande d'invention par le présent inventeur de la technique et la nanotexturation permet une réticulation. 45 La présente invention a comme avantage de : - réduire d'un tiers le nombre de modules sur une serre photovoltaïque par la concentration pour une surface de serre photovoltaïque donné d'augmenter le rendement de production d'énergie contrôler le type d'irradiation photonique en fonction des besoins sous la serre 50 - la surface au sol de la serre photovoltaïque pour une production d'électricité de x MWh (Mega Watt heure) sera de Sc, soit une surface au sol de serre photovoltaïque à concentration définie par : Sc=0,8*S : S étant la surface au sol d'une serre photovoltaïque avec le même module photovoltaïque sans la présente technique de concentration telle que décrit à la figure n°3, soit 20% de réduction de l'emprunte au sol de la serre photovoltaïque par la concentration 55 60 20 3 REVENDICATIONS1 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre caractérisée en ce qu'elle consiste à une filtration partielle de l'irradiation solaire à des angles différents d'incidence sur le module photovoltaïque par un milieu optique composé d'une nanostructure aux propriétés de filtre bi-réfringent ou filtre par un miroir de Bragg réalisée par encapsulation de la nanostructure lors de l'encapsulation des cellules solaires du module photovoltaïque et d'encapsulation de la nanostructure avec le milieu transparent utilisé constituant le filtre de concentration du module en face opposée. 2 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre caractérisée selon la revendication précédente en ce que le filtre optique est exposé en face opposée au module photovoltaïque avec une inclinaison à un angle défini par u: angle d'inclinaison du filtre en degré O angle d'inclinaison du module photovoltaïque en degré i: indice variant entre 5 et 20 3 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon la revendication n°1 caractérisée en ce l'encapsulation du film nanostructuré consiste à un procédé d'assemblage et de combinaison des matériaux suivants : - milieu transparent-I - encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200nm et une transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,34 et 1,43 un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 2 encapsulant-II ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 350nm et une transmittance de 93% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,4 et 1,46 4 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon la revendication n°1 caractérisée en ce l'encapsulation du film nanostructuré consiste à un procédé d'assemblage et de combinaison des matériaux selon une autre mise en oeuvre d'encapsulation : milieu transparent-I 40 - encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200nm et une transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,34 et 1,43 un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction 45 entre 1,6 et 2 - encapsulant-II ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 350rtm et une transmittance de 93% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,4 et 1,46 milieu transparent-II 5 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon la revendication n°1 caractérisée en ce l'encapsulation du film nanostructuré consiste à un procédé d'assemblage et de combinaison des matériaux selon une autre mise en oeuvre d'encapsulation : - milieu transparent-I 55 encapsulant-I à base de silicone ayant un démarrage de la réponse spectrale à partir de 200nm et une transmittance de 95% sur la bande spectrale photovoltaïque et de variation d'indice de réfraction entre 1,34 et 1,43 - un film nanostructuré composé de deux milieux distincts de réfringence composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,3 et 1,5 et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction 60 entre 1,6 et 2 50 6 3 00 3 09 1 -5- 6 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon la revendication 4 caractérisée en ce que les milieux transparent-I et II doivent avoir une transmittance de 92% sur la bande spectrale 275-1500run et sont choisis parmi les polymères, le Polyméthacrylate d'épaisseur de 1mrn à 6mm, polymère type FEP Perfluoro 5 Ethylène Propylène d'épaisseur entre 25 et 200micron ou une combinaison de ces polymères, du verre à carbonate de sodium et calcium ou verre borosilicate ou verre de quartz. 7 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 10 caractérisée en ce que les encapsulants I et II sont des formulations de silicone choisi parmi les silicones soit liquide, soit de gel, soit de gomme par un thermoplastique polymérisable à température de lamination inférieure à 130°C et dont le silicone peut être dopé soit par des nanotubes de carbone, soit par du diamant sous forme de poudre nanométtique, soit par du graphite sous forme de poudre nanométrique soit par des nanoluminophores. 15 8 - Technique de concentration photovoltaïque sur serre selon l'une quelconque des revendications n°1, 3, 4, 5 caractérisée en ce que la nanostructure est un milieu optique biréfringent ou d'un miroir de Bragg par ses propriétés optiques d'anisotropie, lequel milieu optique est composé de deux milieux distincts de réfringence 20 composé d'un premier milieu d'indice de réfraction variant entre 1,45 et 1,55 sur le spectre 200-1400nm et d'un second milieu de variation d'indice de réfraction entre 1,6 et 1,98 sur le spectre 200-1400run et dont chaque milieu réfringent à anisotropie optique est sous forme de couche d'une épaisseur supérieure à 10 angstrbms et chaque milieu a une épaisseur définie par l'anisotropie optique nécessaire et que ce nano-laminé par ses couches nanométriques est donc composé de niveaux qui est l'association de deux interfaces polarisant une irradiation 25 photonique : le nombre de niveaux varie entre 1 et 10000 et très préférentiellement entre 200 et 1000 avec le niveau 1 caractérisant la première interface de polarisation et le niveau 1000 la dernière interface de polarisation 9 - Technique de concentration photovoltaïque sus serre selon l'une quelconque des revendications n°1, 3, 4, 30 5, 8 caractérisée en ce que la nanostructuration se définit par un nano-laminé qui peut avoir une nano- texturation par des formes prismatiques augmentant les surfaces de polarisation et donc de réflexion et dont la nano-texturation a des formes pyramidales dans la profondeur d'un milieu I ou II ou les deux milieux et de motifs différents dans le sens du plan du miroir selon le milieu I ou II et selon le niveau dans le nano-laminé. 35 40 45 50 55 60 7