Brevet FR3016734A1 — publié le 20150724

FILM SOUPLE PHOTOVOLTAIQUE A HAUT RENDEMENT, PROCEDE D'OBTENTION ET UTILISATION Domaine de l'invention L'invention est dans le domaine des films photovoltaïques et en particulier concerne un film souple photovoltaïque à haut rendement, un procédé d'obtention d'un tel film et son utilisation dans divers dispositifs. Etat de la Technique Les enjeux environnementaux et économiques actuels que sont entre autres l'augmentation des prix de l'énergie, la raréfaction des ressources d'hydrocarbures, l'impact sur le réchauffement climatique des émissions de CO2, ou encore les préoccupations liées à l'indépendance énergétique, renforcent l'intérêt actuel pour les énergies renouvelables tel l'Eolien ou le photovoltaïque qui peuvent contribuer au mix énergétique et au développement économique. Les technologies solaires photovoltaïques qui convertissent l'énergie solaire en électricité en exploitant l'effet photovoltaïque constitue une voie d'intérêt pour une transition énergétique. Toutefois, le coût des cellules photovoltaïques est encore trop élevé et leurs rendements sont encore trop faibles pour constituer une solution massivement retenue pour diverses applications au regard de l'électricité produite de façon centralisée par les voies classiques que sont le nucléaire, le thermique ou l'hydraulique. Il existe alors le besoin d'une solution ayant une efficacité photovoltaïque accrue permettant de répondre à de multiples applications tant industrielles qu'individuelles. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de proposer un film souple photovoltaïque de nouvelle génération offrant un haut rendement. Un autre objet de la présente invention adresse un procédé pour obtenir un film souple photovoltaïque à haut rendement. Avantageusement, la mise en oeuvre du film souple photovoltaïque 15 de la présente invention ne nécessite pas un support lourd et coûteux permettant ainsi une réduction globale des coûts d'utilisation. Selon un mode de réalisation, le procédé de l'invention permet de combiner des films photovoltaïques souples avec des films prismatiques 20 qui redressent l'angle des rayons solaires pour obtenir des films souples et légers photovoltaïques de haut rendement. Avantageusement, grâce à son faible poids et à sa manipulation aisée, le film souple photovoltaïque de la présente invention permet d'être 25 utilisée avec des structures portantes de type toiture ne pouvant supporter des masses importantes. Avantageusement, le film souple obtenu peut être enroulé et déroulé manuellement et/ou mécaniquement. 30 10 Avantageusement, l'invention trouvera aussi application sur des segments de marché tels que : celui des sites isolés avec des applications diverses liées au transport, au mobilier urbain, au plein air (outdoor) ou pour des ombrières de parking par exemple ; celui des sites connectés au réseau notamment pour l'intégration aux toitures qui ne peuvent pas supporter la masse de modules classiques. Toujours avantageusement, le film obtenu par le procédé de la 10 présente invention permet une production photovoltaïque même lorsque l'incidence des rayons lumineux baisse améliorant ainsi le rendement des installations. Ainsi pour obtenir un film photovoltaïque multicouches ayant au 15 moins une couche prismatique et une couche photovoltaïque, le procédé de l'invention comprend au moins une étape d'encapsulation sous vide de la couche photovoltaïque entre deux films polymères souples et une étape de thermofusion desdites multicouches. 20 Dans un mode de réalisation, les films polymères sont des copolymères sélectionnés dans le groupe des éthylène-acide acrylique (EAA) ou des éthylène-méthylique d'acrylate (EMA). Dans une variante, les films polymères sont des nano films ayant 25 une épaisseur moyenne allant de 40 à 50 micromètres. Avantageusement, l'étape de thermofusion est réalisée sans résine dans un four clos. 30 Toujours avantageusement, l'étape de thermofusion est réalisée sur une plage de température comprise entre 95° et 180° centigrades. Dans un mode de réalisation, la couche photovoltaïque est constituée de cellules photovoltaïques en plaque. Avantageusement, les cellules photovoltaïques sont choisies dans le groupe des cellules de type mélange de Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium (CIGS), de type Tellurure de Cadmium (CdTe) ou de Sélénium (CdS), de type organique (OPV) imprimable ou non, ou encore de type « Dye-Sensitized Solar Cell » (DSSC, DSC). Dans une variante, la couche photovoltaïque comprend de plus un réseau de conducteurs électriques. Dans un autre mode de réalisation, la couche prismatique est constituée d'un film prismatique très fin transparent ayant des micro- rainures de surface. L'invention concerne aussi un film photovoltaïque multicouche comprenant au moins une couche supérieure prismatique et une couche intermédiaire photovoltaïque, le film étant caractérisé en ce que la couche photovoltaïque est encapsulée entre deux films polymères souples. Dans une réalisation, le film photovoltaïque multicouche comprend une couche inférieure formant une épaisseur de renforcement constituée d'un grillage textile présentant une angulation de fibres allant de 0° à 90°. Dans une variante, la couche inférieure comprend de plus un film en polyester ou en fluorure de polyvinyle. Dans une autre variante, la couche inférieure comprend de plus un film en taffetas synthétique à peine tissé en fibres polyester. 3016 734 5 L'invention concerne de plus l'utilisation du film souple photovoltaïque à haut rendement obtenu selon le procédé de l'invention, en particulier, l'utilisation sur une structure de type toiture ou voilure. 5 Description des figures Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaitre en 10 appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous : Les figures 1 a et 1 b montrent respectivement une vue en coupe de la structure du film souple photovoltaïque à haut rendement de la présente 15 invention selon deux modes de réalisation; La figure 2 illustre les principales étapes du procédé d'encapsulage de l'invention; La figure 3 montre différentes structures permettant d'utiliser avantageusement l'invention. 20 Description détaillée de l'invention Référence est maintenant faite aux figures 1 a et lb et à la figure 2. La figure la montre une vue en coupe d'une première structure du film 25 (100) souple photovoltaïque à haut rendement de la présente invention obtenu selon le procédé illustré schématiquement en figue 2, et la figure 1 b montre une vue en coupe d'une variante de la structure de la figure la. Le film (100) est multicouches et composé principalement d'une couche haute ou supérieure (102) constituant la couche prismatique du 30 film, d'une couche basse ou inférieure (106, 107, 108 ou 110) constituant un renforcement et d'une couche intermédiaire (104) constituant la couche photovoltaïque. La couche haute (102) est constituée d'un film prismatique très fin 5 ayant une épaisseur sensiblement comprise entre 20 à 70 micromètres. Dans une variante, le film prismatique peut être structuré avec des micro-rainures de surface connus comme « effet riblets » et constituant une barrière protectrice. Dans un mode de réalisation préférentiel, le film prismatique est 10 transparent, antireflet, antichoc et très stable aux UV. Il absorbe l'énergie du rayonnement solaire et contient des nano-prismes pour redresser l'angle des rayons lumineux. Un tel film qui peut être un film disponible du commerce améliore le temps d'exposition optimum journalier et ainsi augmente le rendement du film photovoltaïque absorbeur de lumière 15 placé en couche basse. La couche intermédiaire comprend un film de cellules photovoltaïques (104). Les cellules peuvent être en plaque (« shingle » selon l'anglicisme consacré) ou en nappage. Dans un mode de réalisation 20 préférentiel, les cellules photovoltaïques sont choisies dans le groupe des cellules de type mélange de Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium (CIGS), de type Tellurure de Cadmium (CdTe) ou de Sélénium (CdS), de type organique (OPV) imprimable ou non, ou encore de type « Dye-Sensitized Solar Cell » (DSSC, DSC). 25 L'épaisseur du film de cellules photovoltaïques est de préférence comprise entre 5 à 100 micromètres. Un tel film peut être un film disponible du commerce. La couche intermédiaire comprend de plus un réseau de conducteurs électriques ainsi qu'une connectique permettant de 30 transporter l'énergie récoltée. Selon les variantes, les conducteurs électriques sont des circuits de cuivre ou en pâte d'argent par exemple. 3016 734 7 Dans une variante de réalisation, le réseau de conducteurs électriques comprend des batteries rechargeables et un dispositif de régulation de charge pour notamment alimenter des « LED » ou des « OLED » positionnés sous le film multicouche. Tel que montré sur la figure 1 a ou 1 b, la couche intermédiaire photovoltaïque est encapsulée entre deux inter-couches copolymères (103, 105). Dans un mode de réalisation préférentiel, le matériau d'encapsulation est constitué d'un copolymère sélectionné dans le groupe des éthylène-acide acrylique (EAA) ou des éthylène-méthylique d'acrylate (EMA) pour permettre une liaison matricielle transparente, solide, durable et étanche entre les différents films et composants de la structure (100). Selon les variantes de réalisation, les inter-couches sont des nano films ayant une épaisseur moyenne allant de 40 à 50 micromètres. Selon le procédé de l'invention, les multicouches de la structure du film sont laminées par la fusion de films polymères thermoplastiques. La thermofusion (202, 204) est réalisée sous vide, sans résine, sur une plage de température allant de 95° à 180° centigrades. La couche basse ou inférieure (106, 107, 108, 109, 110) comprend une épaisseur de renforcement (106) constituant un grillage textile présentant une angulation de fibres allant de 0° à 90°. De manière préférentielle, la grille est constituée de fibres choisies dans le groupe des fibres de type verre ou polyester téréphtalate (PET) ou polyamide aromatique (Aramide) ou carbone ou Poly(p-phénylène-2,6- benzobisoxazole) (PBO) connu sous le nom de la marque Zylon®, ou Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) également connu sous le nom polyéthylène à haut module (HMPE), ou polymère à cristaux liquides (LCP) connu sous la marque Vectran®, ou encore de type polyoléfine multi filaments connu sous la marque Innegra0, ou en fibre de basalte. Les exemples donnés des fibres pour la grille de renforcement ne sont pas limitatifs et tout autre matériau permettant d'obtenir une grande stabilité mécanique peut être considéré. La grille de renforcement permet avantageusement de résister aux contraintes de traction et de battement dues au vent, principalement lors d'une utilisation du film en extérieur ou d'une utilisation propice aux déformations, aux ruptures ou à la délamination. Selon des variantes de réalisation, la grille de renforcement peut être complétée par un film complémentaire (108) qui est laminé par la 10 fusion d'un film polymère thermoplastique (107) au cours du procédé d'obtention de la structure finale (100). De manière préférentielle, le film complémentaire (108) est un film en polyester ou un film Tedlar ® particulièrement adapté aux régions 15 tropicales, et permettant d'assurer l'étanchéité de la partie inférieure de la structure (100). Dans une autre variante de réalisation telle celle montrée à la figure 1 b, un taffetas (110) synthétique à peine tissé est ajouté au film 20 complémentaire. De manière préférentielle, le taffetas est en fibres polyester ou en fibres Dyneema ®. Dans une implémentation d'usage, une bande droit-fil est cousue sur le taffetas pour accueillir des oeillets et installer une ralingue qui apporte une résistance importante aux UV, aux impacts, aux frottements 25 tels que des raguages, et à la déchirure, tout en protégeant le film Polyester d'étanchéité situé au-dessus. Les deux variantes décrites de la structure du film souple photovoltaïque à haut rendement de l'invention sont obtenues selon un 30 procédé innovant dont les principales étapes (202, 204) sont schématiquement illustrées en figure 2. Le procédé consiste ainsi à intégrer, puis encapsuler au moins deux nano films (102, 104) dans une structure multicouche dont les couches sont laminées par la fusion de films polymères thermoplastiques. La thermofusion est réalisée sans résine, sous vide dans un four clos, ou alternativement entre deux zones chauffantes (plaques, couvertures) dans une plage de température comprise entre 95° et 180° centigrades. La figure 3 montre des exemples d'utilisation du film souple photovoltaïque à haut rendement (100) de l'invention comme ombrière de 10 parking (300), comme bimini de bateau (302) ou intégré à des voiles de bateau (304). L'inventeur a estimé qu'une ombrière utilisée pour couvrir par exemple un parking d'une vingtaine de voitures en quinconce, représentant environ 400m2, pourrait recevoir de l'ordre de 300m2 du film 15 souple photovoltaïque de l'invention, soit de l'ordre de 75% de la surface totale. Par ailleurs, une telle ombrière de parking de 300m2 produirait de l'ordre de 31.5 kW en 12 volts ou 28 kW en 220volts, ce qui correspond sensiblement à la consommation électrique totale d'un navire de 30m. 20 L'homme de l'art comprendra que seuls quelques exemples d'utilisation sont décrits, mais qu'ils ne sont en rien limitatif et que le film souple photovoltaïque à haut rendement de l'invention peut être utilisé dans différents environnements sur sites isolés ou reliés, pour de nombreuses et diverses applications telles que l'utilisation sur des tentes 25 de loisir, de réception ou militaires, pour des usages d'habillement, pour des toitures ou comme revêtements souples et flexibles, sur plan incliné comme par exemple sur la voile d'un bateau à la gite, sur du mobilier urbain comme des abris-bus ou des véhicules pour ne citer que quelques exemples d'application. Par ailleurs, des variantes mineures peuvent être 30 introduites au procédé sans pour autant impacter la structure finale du film souple photovoltaïque décrit qui offre un haut rendement. REVENDICATIONS1. Un procédé pour obtenir un film photovoltaïque multicouche (100) ayant au moins une couche prismatique (201) et une couche photovoltaïque (203), le procédé comprenant au moins une étape (202) d'encapsulation sous vide de la couche photovoltaïque entre deux films polymères souples et une étape (204) de thermofusion desdites multicouches. 2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel les films polymères sont des copolymères sélectionnés dans le groupe des éthylène-acide acrylique (EAA) ou des éthylène-méthylique d'acrylate (EMA). 3. Le procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les films polymères sont des nano films ayant une épaisseur moyenne allant de 40 à 50 micromètres. 4. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel l'étape de thermofusion est réalisée sans résine dans un four clos. 5. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel l'étape de thermofusion est réalisée sur une plage de tem- pérature comprise entre 95° et 180° centigrades. 6. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la couche photovoltaïque est constituée de cellules photo- voltaïques en plaque ou en nappage. 3016 734 11 7. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel les cellules photovoltaïques sont choisies dans le groupe des cellules de type mélange de Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium (CIGS), de type Tellurure de Cadmium (CdTe) ou de Sélénium 5 (CdS), de type organique (OPV) imprimable ou non, ou encore de type « Dye-Sensitized Solar Cell » (DSSC, DSC). 8. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la couche photovoltaïque comprend de plus un réseau de 10 conducteurs électriques. 9. Le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel la couche prismatique est constituée d'un film prismatique très fin transparent ayant des micro-rainures de surface. 15 10.Un film photovoltaïque multicouche (100) comprenant au moins une couche supérieure prismatique (102) et une couche intermédiaire photovoltaïque (104), le film étant caractérisé en ce que la couche photovoltaïque est encapsulée entre deux films polymères 20 souples. 11. Le film photovoltaïque multicouche selon la revendication 10 comprenant de plus une couche inférieure (205) formant une épaisseur de renforcement constituée d'un grillage textile (106) présentant 25 une angulation de fibres allant de 0° à 90°. 12.Le film photovoltaïque multicouche selon la revendication 11 où la couche inférieure comprend de plus film complémentaire (108) en polyester ou en fluorure de polyvinyle. 30 13. Le film photovoltaïque multicouche selon la revendication 12 où le film complémentaire comprend de plus un film (110) en taffetas synthétique à peine tissé en fibres polyester. 14. Le film photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9. 15. Une structure (300, 302, 304) de type toiture ou voilure comprenant un film photovoltaïque obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9.