Brevet FR3002692A1 — publié le 20140829

DISPOSITIF ET SYSTEME DE GENERATION PHOTOVOLTAIQUE ET SON APPLICATION A UN DISPOSITIF MEDICAL IMPLANTABLE L'invention porte sur un dispositif et sur un système de génération photovoltaïque particulièrement adaptés pour des applications dans des dispositifs biomédicaux implantés, dans lesquelles l'éclairage s'effectue par voie transcutanée. L'invention porte également sur un système électronique comprenant un tel système de génération photovoltaïque et sur un dispositif médical implantable comprenant un tel système électronique. Un dispositif, un système de génération et un système 10 électronique selon l'invention peuvent également être utilisés dans d'autres applications que les dispositifs médicaux implantables. On constate ces dernières années un intérêt croissant pour les dispositifs médicaux implantables, tels que les stimulateurs cardiaques, les neurostimulateurs, ou les systèmes permettant une détection et un contrôle 15 biomédical in vivo. Dans un futur proche, les capteurs implantables pourront permettre par exemple un diagnostic précoce de certaines maladies ou encore de contrôler précisément le taux de sucre ou d'oxygène présent dans le sang en temps réel. Cependant, afin de fonctionner de façon autonome, les dispositifs médicaux implantables nécessitent une alimentation interne 20 généralement assurée par une batterie primaire. Les batteries, dont les densités d'énergie sont relativement élevées (jusqu'à 300Wh/1), permettent d'alimenter des petits systèmes sur une durée allant de quelques jours à quelques années en fonction de la puissance nécessaire. Ainsi pour des dispositifs médicaux implantables, les densités de puissance des batteries les 25 plus performantes actuellement disponibles obligent à un renouvellement régulier de ces dernières. Cependant, pour des applications in vivo, le remplacement des batteries n'est pas un acte anodin car il nécessite une intervention chirurgicale. Pour éviter le remplacement des batteries primaires, il a été 30 proposé d'utiliser des batteries dites « secondaires », rechargées par l'intermédiaire d'un dispositif de récupération d'énergie de type bobine (recharge par induction électromagnétique), transducteur ultrasonore (recharge par ultrasons) ou encore cellule photovoltaïque (recharge par lumière proche infrarouge). Ce type de dispositif présente l'avantage de ne pas nécessiter d'intervention chirurgicale pour remplacer une batterie déchargée. En effet, moyennant une recharge périodique des batteries secondaires par l'intermédiaire des dispositifs de récupération d'énergie citées précédemment, la durée de vie de ce type de dispositifs permet de s'approcher de celle des patients. La recharge photovoltaïque constitue une approche particulièrement prometteuse, mais se heurte à des difficultés techniques 10 importantes. Dans leur article de 1999 «A wireless near-infrared energy system for medical implants » IEEE Enginnering Medecine Biology 18, 70 (1999), K. Murakawa et al ont proposé d'utiliser un laser proche infra-rouge couplé à une cellule photovoltaïque en silicium pour alimenter une batterie 15 secondaire. Il s'agit d'implanter la cellule photovoltaïque et la batterie sous la peau et d'illuminer la cellule photovoltaïque par l'intermédiaire du laser proche infra-rouge, situé à l'extérieur du corps, lorsque la batterie doit être rechargée. En effet, la faible absorption du rayonnement proche infrarouge (780-1400 nm) par les tissus biologiques permet au rayonnement d'atteindre la cellule 20 photovoltaïque implantée. Toutefois, les cellules photovoltaïques en silicium présentent une épaisseur relativement importante de l'ordre de 100pm ce qui les rend rigides et donc peu adaptées à l'implantation sous-cutanée. Les cellules photovoltaïques à couches minces, dont l'épaisseur peut être aussi faible que 10 pm et qui peuvent être réalisées sur un substrat souple, 25 constituent une alternative plus prometteuse. Parmi les différents types de cellules photovoltaïques à couches minces, celles dites « de type CIGS » (acronyme de Cuivre - Indium - Gallium - Sélénium, car elles comprennent une couche d'absorption en un alliage de formule générale Culn1_xGax(Se1,y,Sy)2, avec 0 Les cellules CIGS présentent cependant une caractéristique qui s'avère un inconvénient majeur pour une utilisation prévoyant un éclairage transcutané. En effet, il a été démontré que de telles cellules ne peuvent atteindre des performances électriques optimales que si le rayonnement les 5 éclairant contient des photons d'énergie supérieure à la largeur de la bande interdite de leur couche tampon. Voir à ce propos l'article de A.Pudov et al., « CIGS J-V distortion in the absence of blue photons », Thin Solid Films 480 (2005), 273-278. En effet, si l'énergie des photons est supérieure à la largeur de la bande interdite de la couche tampon, une partie des photons est 10 absorbée par la couche tampon créant une paire électron-trou, les trous photogénérés permettant de neutraliser les défauts de types accepteurs situés en surface de I'absorbeur, diminuant ainsi la barrière aux photoélectrons et permettant un alignement des bandes plus favorable. Classiquement, les couches tampons utilisées dans ce genre 15 de dispositifs sont des composés à base de Zinc [Zn01_,KS,J, de Cadmium (CdS) ou d'Indium (In2S3) dont les largeurs de bandes interdites sont de 3,7eV, 2,8eV et 2,4eV respectivement. Ainsi, il est nécessaire d'éclairer ces cellules avec des photons de longueur d'onde inférieure à 335nm (ultraviolet), 443nm (bleu) et 516nm (vert) pour des cellules ayant respectivement 20 comme couche tampon du Zn(01_, Les inventeurs sont partis du constat que, pour permettre un fonctionnement optimal des cellules photovoltaïques CIGS il n'est pas nécessaire que le flux de photons d'énergie supérieure à la largeur de bande interdite de la couche tampon soit continu. Une fois que les défauts de type accepteur ont été neutralisés, les cellules maintiennent, pendant une durée pouvant atteindre quelques jours, une efficacité de conversion élevée même si elles ne sont soumises qu'à un éclairage comprenant seulement des photons de plus basse énergie. La solution procurée par la présente invention consiste à utiliser une diode électroluminescente émettant dans le vert, le bleu ou l'ultraviolet et transparente à des plus grandes longueurs d'onde, couplée à une cellule CIGS ou à un empilement de telles cellules. Les cellules CIGS, éclairées dans le rouge/infrarouge à travers la diode électroluminescente génèrent, avec une faible efficacité, une énergie électrique qui alimente la diode. A son tour, le rayonnement de « haute énergie » de la diode améliore progressivement l'efficacité des cellules ; lorsque cette efficacité atteint un niveau considéré comme suffisant, la diode est déconnectée et l'énergie électrique générée par effet photovoltaïque est utilisée pour alimenter une charge extérieure, par exemple pour recharger une batterie. Ainsi un objet de l'invention est un dispositif photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque de type CIGS présentant une surface, dite supérieure, destinée à être exposée à un rayonnement lumineux ; et une diode électroluminescente présentant une émission lumineuse à une longueur d'onde inférieure ou égale à 600 nm, de préférence inférieure ou égale à 443 nm et de manière encore plus préférée comprise entre 250 et 400 nm, et transparente au rayonnement dans le proche infrarouge, fixée à ladite surface supérieure du module photovoltaïque. Selon différents modes de réalisation d'un tel dispositif : - Ladite diode électroluminescente peut présenter une 30 émission lumineuse à une longueur d'onde correspondant à une énergie photonique supérieure à une largeur de bande interdite d'une couche tampon dudit module photovoltaïque. - Ledit module photovoltaïque de type CIGS peut être adapté pour générer un courant électrique lorsque sa surface supérieure est éclairée par un rayonnement proche infrarouge auquel ladite diode électroluminescente est transparente. Ledit module photovoltaïque peut comprendre une pluralité de cellules photovoltaïques connectées en série. En particulier, lesdites cellules photovoltaïques connectées en série peuvent être réalisées sous la forme d'un empilement de couches minces déposées sur un substrat commun. 10 Un autre objet de l'invention est un système de génération photovoltaïque comprenant un module photovoltaïque de type CIGS présentant une surface, dite supérieure, destinée à être exposée à un rayonnement lumineux ; et une diode électroluminescente présentant une émission lumineuse à une longueur d'onde inférieure à 600 nm, de préférence 15 inférieure ou égale à 443 nm et de manière encore plus préférée comprise entre 250 et 400 nm, et transparente au rayonnement dans le proche infrarouge, agencée de façon à pouvoir éclairer ledit module photovoltaïque ; un système d'interrupteurs pour connecter sélectivement ledit module photovoltaïque à ladite diode électroluminescente ou à une borne 20 d'alimentation d'une charge extérieure ; et un circuit de pilotage dudit système d'interrupteurs. Avantageusement, ledit module photovoltaïque et ladite diode électroluminescente peuvent forment un dispositif photovoltaïque tel que décrit plus haut. 25 Ledit circuit de pilotage peut être adapté pour mesurer une puissance électrique générée par ledit module photovoltaïque et piloter ledit système d'interrupteur en fonction de la puissance mesurée. En particulier, ledit circuit de pilotage peut être adapté pour piloter ledit système d'interrupteur de telle sorte que ledit module photovoltaïque alimente ladite 30 diode électroluminescente tant que ladite puissance mesurée n'excède par un seuil prédéfini, puis alimente une charge extérieure reliée à ladite borne d'alimentation. Encore un autre objet de l'invention est un système électronique comprenant un système de génération photovoltaïque tel que décrit ci-dessus, une batterie connectée à ladite borne d'alimentation pour être rechargée par ledit système de génération photovoltaïque et au moins un circuit électronique connecté à ladite batterie pour être alimenté. Encore un autre objet de l'invention est un dispositif médical implantable comprenant un tel système électronique. Dans ce cas, le circuit électronique peut être notamment un générateur d'impulsions de stimulation, un circuit de détection, acquisition, traitement etiou de transmission de signaux acquis par un capteur implanté ou encore un circuit pilotant un dispositif implanté de délivrance de médicaments. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - la figure 1, une représentation schématique en coupe d'un dispositif photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2, une représentation schématique en coupe d'un dispositif photovoltaïque selon un mode de réalisation alternatif de l'invention ; et - la figure 3 un diagramme fonctionnel d'un dispositif médical implantable selon un autre mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référence 10 indique un substrat souple ou rigide, qui peut être notamment en verre sodo-calcique, en polymère, en métal (acier, aluminium, titane,...). Sur le substrat 10, d'épaisseur comprise entre 10 pm et 5 mm préférentiellement comprise entre 0,5 mm et 2 mm, par exemple d'environ 1 mm, est déposée une électrode 11 en molybdène (Mo) dont l'épaisseur est comprise entre 100 nm et 2 pm, préférentiellement entre 200 nm et 1 pm, par exemple d'environ 500nm. Une couche 12 de CIGS [Cu(In1...,Gax)(Sei-y,Sy)2, avec 0 La diode électroluminescente (DEL), indiquée par la référence 21, peut être fabriquée de la manière suivante. Une couche mince 17 d'un matériau semi-conducteur de type p est déposée sur un substrat 18 d'un matériau semi-conducteur de type n. Par exemple, une couche mince 17 de Ini_,Ga'N de type p est déposée par épitaxie par faisceaux moléculaires (MBE) ou épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) sur un substrat 18 de GaN monocristallin de type n. Ce type de DEL émet dans le bleu ou l'ultra-violet. D'autres couches semi-conductrices peuvent être ajoutées dans l'empilement formant la DEL 21 afin d'améliorer ses propriétés d'émissions comme expliqué dans l'article de K. Nakahara et al. « lmproved External Efficiency InGaN-Based Light-Emitting Diodes with Transparent Conductive Ga-Doped ZnO as p-Electrodes », Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 2A, 2004, pp. L 180-L 182. Le contact électrique du côté n (référence 19), peut être un plot, une grille métallique (par exemple un empilement Ti/Al/Ti/Au) ou même une couche d'un conducteur transparent tel que l'ITO. Le contact électrique du côté p (référence 16) est une électrode transparente qui peut être une couche mince d'un oxyde transparent conducteur à base de ZnO dopé Ga (ZnO:Ga), ou bien une couche ultra-mince métallique (Au, Cr...) d'épaisseur comprise entre 5 et 20 nm. Ce contact électrique 16 peut être complété par un plot ou une grille métallique (par exemple un empilement Ti/Au). La DEL 21 décrite ici est transparente au rayonnement proche infrarouge (780 - 1400 nm). La DEL 21 peut être également fabriquée sur un substrat souple, par exemple par dépôt de couches minces semi-conductrices organiques sur substrat polymère, ou par des techniques de report de couches minces semi-conductrices inorganiques sur substrat polymère. Le dispositif complet, identifié par la référence 2, est obtenu en fixant la DEL 21 au-dessus de la cellule photovoltaïque 20, c'est-à-dire sur sa surface « supérieure », opposée au substrat 10 et destinée à être éclairée. La fixation peut se faire, par exemple, par l'intermédiaire d'un film transparent et isolant 15, pouvant être constitué d'une résine époxy. Le film 15, d'épaisseur généralement comprise entre 50rim et 10pm, assure l'isolation électrique entre l'oxyde transparent conducteur 14 et l'électrode transparente 16, ainsi que la séparation physique entre la cellule photovoltaïque 20 et la DEL 21. Dans un autre mode de réalisation, la cellule photovoltaïque 30 et la DEL présentent une électrode transparente commune 31, ce qui permet de s'affranchir de la couche 15. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 2. La figure 3 montre un schéma fonctionnel d'un dispositif médical implantable 1 comprenant un système de génération photovoltaïque 200 basé sur un dispositif photovoltaïque 2 tel que décrit ci-dessus. Comme illustré sur cette figure, le système de génération 5 photovoltaïque 200 utilise l'énergie lumineuse générée par une source externe 23 de rayonnement, émettant principalement dans le proche infrarouge, et transmise à travers la peau 50 pour charger une batterie 25 (par exemple, une micro-batterie solide à couches minces) qui, à son tour, alimente un circuit électronique 30 (par exemple, un générateur d'impulsions 10 de stimulation). Le système 200 comprend un dispositif photovoltaïque 2 du type illustré sur les figures 1 et 2, constitué par un module photovoltaïque 22 et une DEL 21, un système de commutation comprenant deux interrupteurs 24, 26 (réalisés, par exemple, par des transistors à effet de champ) et un 15 circuit 27 de pilotage de ces interrupteurs, alimenté par le module 22 (ou, en variante, par la batterie 25). Le circuit de pilotage peut être basé sur un microprocesseur ou sur un circuit dédié, analogique, numérique ou hybride. Avantageusement, ce circuit mesure la puissance électrique générée par le module 22 et se sert du résultat de la mesure pour piloter les interrupteurs 24, 20 25 comme cela sera expliqué plus loin. Ces interrupteurs sont commandés en opposition de phase, c'est-à-dire que lorsque l'un est fermé, l'autre est ouvert. En particulier quand l'interrupteur 24 est fermé (ce qui correspond à la situation initiale, lors de la mise sous tension) le courant généré par le module 22 alimente la DEL 23, tandis que quand l'interrupteur 26 est fermé ce courant 25 recharge la batterie 25 (plus généralement, alimente une charge externe). Lorsqu'on commence à éclairer le module photovoltaïque 22 implanté à l'aide du rayonnement proche infrarouge émis par la source externe 23, ledit module fonctionne en mode dégradé, car l'éclairage ne contient pas de photons d'énergie suffisamment élevée pour permettre la 30 neutralisation des défauts accepteurs, mais génère néanmoins une puissance suffisante pour alimenter la DEL 21 par l'intermédiaire de l'interrupteur 24 (tension 2-5V préférentiellement 3V, courant compris entre 5mA et 20mA IO préférentiellement 15mA, puissance comprise entre 10mW et 100mW préférentiellement 45mW). Ladite DEL génère alors un rayonnement lumineux dans la gamme de longueurs d'ondes absorbées par la couche tampon (typiquement 250nm-400nm préférentiellement environ 330nm pour une couche tampon en ZnOS). Au bout d'un certain temps d'exposition du module photovoltaïque 22 aux photons émis par la DEL 21, les performances électriques du module photovoltaïque 22 deviennent optimales. Cela est détecté par le circuit de pilotage 27 (par exemple par franchissement d'un premier seuil prédéterminé de puissance électrique générée), qui commande l'ouverture de l'interrupteur 24 et la fermeture de l'interrupteur 26. Cela entraine l'extinction de la DEL 21 ; la charge de la batterie secondaire 25 peut alors commencer. Inversement, le circuit de pilotage 27 peut commander le rallumage de la DEL 21 si la puissance générée par le module 22 décroit au-dessus d'un second seuil prédéterminé, inférieur audit premier seuil: (hystérésis). D'autres logiques de commande sont toutefois envisageables, par exemple l'utilisation d'un simple minuteur. En variante, le système photovoltaïque 200 peut comprendre un module photovoltaïque de type CIGS et une diode électroluminescente qui ne sont pas réunis dans un dispositif photovoltaïque tel que celui de la figure 1 ou de la figure 2, mais qui constituent des éléments discrets et distincts. Ces éléments devront alors être agencés de telle sorte que la diode électroluminescente puisse éclairer le module photovoltaïque, par exemple étant disposés face à face. Un tel mode de réalisation peut convenir en particulier pour des applications non implantables.25 REVENDICATIONS1. Dispositif photovoltaïque (2) comprenant : - un module photovoltaïque (20) de type CIGS présentant 5 une surface, dite supérieure, destinée à être exposée à un rayonnement lumineux ; et - une diode électroluminescente (21) présentant une émission lumineuse à une longueur d'onde inférieure à 600 nm, de préférence inférieure ou égale à 443 nm et de manière encore plus préférée comprise 10 entre 250 et 400 nm, et transparente au rayonnement dans le proche infrarouge, fixée à ladite surface supérieure du module photovoltaïque. 2. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 1 dans lequel ladite diode électroluminescente présente une émission lumineuse à 15 une longueur d'onde correspondant à une énergie photonique supérieure à une largeur de bande interdite d'une couche tampon (13) dudit module photovoltaïque. 3. Dispositif photovoltaïque selon l'une des revendications 20 précédentes dans lequel ledit module photovoltaïque de type CIGS est adapté pour générer un courant électrique lorsque sa surface supérieure est éclairée par un rayonnement proche infrarouge auquel ladite diode électroluminescente est transparente. 25 4. Dispositif photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit module photovoltaïque comprend une pluralité de cellules photovoltaïques connectées en série. 5. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 4 dans 30 lequel lesdites cellules photovoltaïques connectées en série sont réalisées sous la forme d'un empilement de couches minces déposées sur un substrat (10) commun. 6. Système de génération photovoltaïque (200) comprenant : - un module photovoltaïque (20) de type CIGS présentant une surface, dite supérieure, destinée à être exposée à un rayonnement 5 lumineux ; et une diode électroluminescente (21) présentant une émission lumineuse à une longueur d'onde inférieure à 600 nm, de préférence inférieure ou égale à 443 nm et de manière encore plus préférée comprise entre 250 et 400 nm, et transparente au rayonnement dans le proche 10 infrarouge, agencée de façon à pouvoir éclairer ledit module photovoltaïque ; - un système d'interrupteurs (24, 26) pour connecter sélectivement ledit module photovoltaïque à ladite diode électroluminescente ou à une borne d'alimentation d'une charge extérieure (25) ; et - un circuit de pilotage (27) dudit système d'interrupteurs. 15 7. Système de génération photovoltaïque selon la revendication 6 dans lequel ledit module photovoltaïque et ladite diode électroluminescente forment un dispositif photovoltaïque (2) selon l'une des revendications 1 à 5. 20 8. Système de génération photovoltaïque selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel ledit circuit de pilotage est adapté pour : mesurer une puissance électrique générée par ledit module photovoltaïque ; et 25 - piloter ledit système d'interrupteur en fonction de la puissance mesurée. 9. Système de génération photovoltaïque selon la revendication 8 dans lequel ledit circuit de pilotage est adapté pour piloter ledit 30 système d'interrupteur de telle sorte que ledit module photovoltaïque alimente ladite diode électroluminescente tant que ladite puissance mesurée n'excèdepar un seuil prédéfini, puis alimente une charge extérieure reliée à ladite borne d'alimentation. 10. Système électronique comprenant : - un système de génération photovoltaïque (200) selon l'une des revendications 6 à 9 ; une batterie (25) connectée à ladite borne d'alimentation pour être rechargée par ledit système de génération photovoltaïque ; et - au moins un circuit électronique (30) connecté à ladite 10 batterie pour être alimenté. 11. Dispositif médical implantable (1) comprenant un système électronique selon la revendication 10. 15